新華社武漢10月31日電 題：在中國一所大學(xué)的山洞里，有這樣一群“追引力的科學(xué)家”
新華社記者皮曙初、俞儉、胡喆
這是華中科技大學(xué)引力實驗中心（4月4日無人機拍攝）。新華社記者熊琦攝
三百多年前，牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律，并提出精確計算物體與物體間引力的萬有引力常數(shù)G。然而，由于引力十分微弱，作為人類最早認(rèn)識的物理學(xué)基本常數(shù)，G值的測量精度迄今為止仍是最差的一個。
在湖北武漢的華中科技大學(xué)，有這樣一群科學(xué)家，他們堅守防空洞改建的實驗室，在艱苦環(huán)境下，忍受著常人難以想象的孤寂和冷清，三十多年如一日，探索著萬有引力的奧秘，一次次將萬有引力常數(shù)G值推向新的測量精度。不久前，中國科學(xué)院院士羅俊團隊在《自然》雜志刊發(fā)最新成果，測出了當(dāng)前世界最精確的G值，實現(xiàn)在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域?qū)H一流的趕超。
? 與時間苦“熬”：堅持不懈“坐熱”基礎(chǔ)研究“冷板凳”
這是羅俊院士肖像照（3月27日攝）。新華社記者熊琦攝
萬有引力定律發(fā)現(xiàn)100多年后，英國物理學(xué)家卡文迪許第一次利用扭秤實驗測出G值，因而被認(rèn)為是歷史上第一個測出萬有引力常數(shù)的科學(xué)家，他的實驗也被稱為“測量地球重量的實驗”。此后，各國科學(xué)家一直在為測量更精確的G值不懈努力。
引力測量的難度，在于實驗對地面振動、電磁力、溫度變化等干擾極為敏感。華中科技大學(xué)引力中心是目前我國唯一引力實驗研究基地。20世紀(jì)80年代初籌建之初，他們選中校內(nèi)喻家山一處防空洞作為實驗室。山洞陰暗潮濕，但是震動小、溫度恒定，是難得的引力實驗場所。
羅俊院士在華中科技大學(xué)引力實驗中心（3月27日攝）。新華社記者熊琦攝
從那時起，羅俊帶領(lǐng)的團隊一直堅守在山洞之中。開始的近10年，除去吃飯和睡覺，羅俊幾乎全在山洞中度過。經(jīng)年累月，頭發(fā)掉了一大半，臉上出現(xiàn)一塊塊白斑，甚至“每個月都要感冒發(fā)燒一兩次”。因為山洞里的溫度常年是20攝氏度，溫差不超過1攝氏度，羅俊常年只穿一件襯衫，過著屬于自己的“恒溫”季節(jié)。
十多年過去，1998年，羅俊發(fā)表105ppm（1ppm即百萬分之一）相對精度的萬有引力常數(shù)測量結(jié)果，成為當(dāng)時世界上測量精度最高的G值之一。這一實驗結(jié)果被國際科技數(shù)據(jù)委員會（CODATA）的基本物理常數(shù)所收錄，并以華中理工大學(xué)英文縮寫HUST命名。
位于中國中部的這個小山洞引起了世界關(guān)注，國外專家將其譽為“世界引力中心”。
羅俊院士在華中科技大學(xué)引力實驗中心介紹引力波探測“天琴計劃”的進展情況（3月27日攝）。新華社記者熊琦攝
基礎(chǔ)科學(xué)研究猶如攀爬陡峭的巉巖，漫長而艱辛。引力實驗更是一項十分長期艱苦的研究，從實驗設(shè)備的設(shè)計、打磨，到實驗數(shù)據(jù)的取得，每前進一步往往需要十?dāng)?shù)年乃至數(shù)十年的苦“熬”。
又經(jīng)過十年實驗和研究，羅俊團隊將G值測量精度提高到26ppm，這是采用扭秤周期法測得的最高精度G值。實驗結(jié)果再次被CODATA值收錄，命名為HUST-09。
“這個精度相當(dāng)于在一個1米桿的一端，放上一粒灰塵千萬分之一的重量，也能測量出來。”羅俊說。
“做這樣的實驗沒點‘瘋狂’與‘執(zhí)拗’，是堅持不下來的。”華中科技大學(xué)物理學(xué)院副院長涂良成說。
這樣的“瘋狂”和“執(zhí)拗”從未停歇。又是一個十年過去，羅俊團隊采用扭秤周期法和角加速度法兩種不同方法，在同一實驗室測量萬有引力常數(shù)，給出了目前國際上最高精度的G值，相對不確定度優(yōu)于12ppm。
“也許在外人看來那是相當(dāng)?shù)目菰铮覀儧]有覺得，因為我們研究的問題是科學(xué)還沒解決的領(lǐng)地，在未知的世界里探索，哪怕你只獲得一點點進展，都會非常開心。”團隊成員楊山清說。
從羅俊到“70后”的周澤兵、胡忠坤、涂良成，“80后”周敏康、楊山清、段小春，乃至“90后”博士生、碩士生，一代代“引力人”就這樣耐得住寂寞、守得住冷清，硬是把基礎(chǔ)研究的“冷板凳”生生給“坐熱了”。
為科學(xué)而“瘋”，自力更生艱苦創(chuàng)造成就“世界最好”
羅俊院士（左二）與楊山清（中）、胡忠坤（右二）、涂良成（右一）、周澤兵（左一）在華中科技大學(xué)引力實驗中心交流引力波探測裝置的運行情況（3月27日攝）。新華社記者熊琦攝
1985年“山洞實驗室”建成之時，有14個籌備人員，如今還在這個團隊的只剩下羅俊和一名工作人員。一開始，全國有3家引力實驗研究中心，堅持到今天從未間斷過的只有華中科技大學(xué)引力中心。
涂良成說：“原因很清楚，實驗周期特別長，拿不到什么大課題大項目，要堅持下來很難。而且，這樣的基礎(chǔ)研究也不是一般人認(rèn)為的研究‘熱點’，而是個‘冷門’，所以有人選擇了離開。”
然而，羅俊和他的團隊認(rèn)為，對G值的精確測量，不僅對于檢驗牛頓萬有引力定律及深入研究引力相互作用規(guī)律意義重大，而且具有計量學(xué)上的重要意義，對于現(xiàn)實中包括地震在內(nèi)的自然環(huán)境監(jiān)測、地質(zhì)資源勘測等都有重要戰(zhàn)略意義。
引力常數(shù)精度的每一次提升，也是精密測量技術(shù)的一次革命。他們堅信，破解基礎(chǔ)科學(xué)的難題，一定會推動國家科技進步。
因此，他們不僅堅持下來，而且一次次提出具有創(chuàng)新思想的精密測量實驗方案，一次次破解關(guān)鍵難題。
羅俊院士（右）在華中科技大學(xué)引力實驗中心與科研人員交流實驗情況（3月27日攝）。新華社記者熊琦攝
引力中心籌建之初，面臨的是“三無”局面：無經(jīng)費資助、無資料可查、無儀器可用。由于引力實驗和重力測量研究的地位重要，國外的資料無法拿到，我國也沒有任何先例可循。
儀器的先進性直接決定著引力實驗的數(shù)據(jù)精度。一次，引力中心欲向國外某實驗室購買某種衛(wèi)星重力測量儀器，對方提出該儀器不是商品，是無價的，中國要想使用，“必須交換”。
“如何交換呢？就是他們給儀器，我們必須給他們原始數(shù)據(jù)。這是非常霸道無理的要求，意味著可能拱手送出國家機密！”羅俊說，經(jīng)歷這件事后，引力中心更加堅定了要走獨立自主的研究道路——自主設(shè)計實驗路線、自主制定測量方案、自主研發(fā)儀器設(shè)備。
華中科技大學(xué)引力實驗中心的涂良成（左）、胡忠坤（中）、周澤兵在交流實驗情況（3月27日攝）。新華社記者熊琦攝
引力實驗中要用到一種特殊的鋼球，每個球的圓度要精確到1微米，而能買到的這種球最好精度在5到10微米。引力中心副研究員薛超介紹，試了很多辦法都失敗了，只好自己慢慢地磨，光一個球就磨了九個月，精度最終達到了0.8微米。
“四個球磨出來之后，確實達到非常好的效果，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性非常高。”薛超說，“這只是做精密測量試驗所經(jīng)常要花的功夫。”
G值的測量原理早已十分明確，但測量過程卻異常繁瑣、復(fù)雜。為了增加測量結(jié)果的可靠性，羅俊團隊在實驗中同時使用了扭秤周期法和扭秤角加速度反饋法兩種獨立的方法。這兩種實驗方法雖已不再新奇，但與兩種方法相關(guān)的裝置設(shè)計及諸多技術(shù)細(xì)節(jié)均需團隊成員自己摸索、自主研制完成。
“我們用兩種不同的方法，用自主研發(fā)的一批儀器，一步一步將精度提高。又是一個十年，我們做到了世界上最好、獲得國際認(rèn)可的最高精度。”團隊成員楊山清教授說。
美國天體物理聯(lián)合實驗室（JILA）前主席James E. Faller教授評價，“這個團隊的工作非常杰出，為獲得準(zhǔn)確G值做出了極其重要的貢獻”，“擁有羅俊、他的團隊和這樣一個出色的實驗室是中國的驕傲”。
為探索而“癡”：科學(xué)在心中有一種不可抗拒的“吸引力”
羅俊院士（右）在華中科技大學(xué)引力實驗中心與科研人員交流實驗情況（3月27日攝）。新華社記者熊琦攝
位于武漢市洪山區(qū)喻家山下的“山洞實驗室”，甬道狹長幽深，水泥涂層斑駁，甬道兩邊一間間擺放著各種儀器設(shè)備的實驗室。不管白天黑夜，這些實驗室里的燈總是亮著。假如沒有了燈光，這里將是望不見盡頭的黑暗。
有人發(fā)出疑問：假如沒有看到今天的成果，以十年、數(shù)十年為單位的引力基礎(chǔ)科學(xué)研究和摸索，本身就具有很強的不確定性，值得嗎？
科學(xué)研究散發(fā)出的魅力似乎在科學(xué)家身上總是那么“不可抗拒”，他們的回答幾乎異口同聲：能測出最精確的G值、做出最好的科研成就，就足夠了。
如今“山洞實驗室”不斷擴建，實驗條件比從前大為改善，一批兼具理論與實踐能力的優(yōu)秀人才在這里成長。然而這里潛心科研、不問功名的氛圍一直沒有變，大家沉下心在科學(xué)王國里開疆拓土的創(chuàng)新激情也一直沒變。
華中科技大學(xué)物理學(xué)院副院長涂良成在調(diào)試實驗裝置（3月27日攝）。新華社記者熊琦攝
冷原子物質(zhì)波干涉具有潛在靈敏度高和對重力敏感的優(yōu)勢，是重力精密測量的新方向。引力中心胡忠坤教授剛開始做冷原子重力儀的時候，整整五年一篇論文都沒發(fā)表，但他始終不言放棄，用12年的努力，在冷原子干涉重力測量方面實現(xiàn)“彎道超車”，由跟跑到并跑和領(lǐng)跑。
“引力中心實驗室里測G的技術(shù)，在國家經(jīng)濟建設(shè)、國防科技等領(lǐng)域都能得到引用。” 華中科技大學(xué)物理學(xué)院黨委書記張凱說，他們測量G值的過程中，一批高精端的儀器設(shè)備被研發(fā)，且其中很多儀器已在地球重力場的測量、地質(zhì)勘探等方面發(fā)揮重要作用。
4月4日，華中科技大學(xué)引力實驗中心周澤兵（中）與科研人員交流實驗情況。新華社記者熊琦攝
科研團隊用18年時間，應(yīng)用精密測量技術(shù)，取得高精度星載加速度計的關(guān)鍵技術(shù)突破，打破了制約我國重力衛(wèi)星研究的瓶頸，突破國外對我技術(shù)封鎖。“未來，我們可以用重力給地球做核磁共振，可以把礦產(chǎn)資源這樣的戰(zhàn)略信息掌握在中國人自己的手里。”涂良成說。
“丹心未泯創(chuàng)新愿，白發(fā)猶殘求是輝”。2014年，羅俊院士提出了引力波探測計劃“天琴計劃”，向著當(dāng)今世界引力研究的最前沿、科學(xué)研究的新高峰發(fā)起挑戰(zhàn)。
4月4日，引力波探測“天琴計劃”研究人員在華中科技大學(xué)引力實驗中心磨制用于精密測量引力的鋼球。新華社記者熊琦攝
“探索引力波是精密測量研究絕對的技術(shù)挑戰(zhàn)。”羅俊說，它要求對17萬公里兩顆衛(wèi)星之間激光擾動的測量要達到皮米精度，相當(dāng)于一根頭發(fā)直徑的千萬分之一。
甘坐冷板凳，勇做栽樹人。盡管，這將又是一次漫長而艱辛的攀爬，但這群山洞里的“引力人”堅信，無論是引力測量還是引力波探測，基礎(chǔ)科學(xué)必將帶動一個國家的人才和技術(shù)進步，實現(xiàn)前瞻性基礎(chǔ)研究、引領(lǐng)性原創(chuàng)成果重大突破，夯實好世界科技強國建設(shè)的根基。
