從牛頓1687年發(fā)表萬有引力定律,,到卡文迪許第一次用扭秤實驗測出萬有引力常數(shù)G值,,西方科學家主導這一領(lǐng)域的研究300多年,。上世紀80年代,,中國科學家羅俊及其團隊加入了測量萬有引力常數(shù)G的隊伍,。
5月21日,,全國人大代表,、中國科學院院士,、我國空間引力波探測“天琴計劃”首席科學家羅俊院士透露,,經(jīng)過多方評估,“天琴一號”衛(wèi)星六大技術(shù)在軌驗證全部通過,,每項技術(shù)指標都優(yōu)于任務(wù)目標,,達到國內(nèi)同類技術(shù)的最高水平。
世間萬物,,有能量就有引力,。那么,引力的本質(zhì)究竟是什么呢,?自牛頓開創(chuàng)經(jīng)典力學以來,,這個物理學領(lǐng)域基礎(chǔ)的科學問題之一,讓物理學家輾轉(zhuǎn)幾百年,,至今仍在探索,。
從1984年開始,一群中國科學家用36年的時間,,探索引力的本質(zhì)究竟是什么,。對于一位科學家的科研生涯來講,36年很長,。但是,,在西方科學家主導了300多年的領(lǐng)域里,中國科學家測出了世界最精確的萬有引力常數(shù)G的值,,提出了空間引力波探測“天琴計劃”,這樣看來36年又很短,。
基礎(chǔ)研究如何報效國家和社會,?羅俊院士和天琴團隊在探索科學問題的過程中,用一個又一個重量級成果給出了答案,。
“丟掉用錢買技術(shù)的幻想”
從牛頓1687年發(fā)表萬有引力定律,,到卡文迪許第一次用扭秤實驗測出萬有引力常數(shù)G值,西方科學家主導這一領(lǐng)域的研究達300多年,。
上世紀80年代,,中國科學家羅俊及其團隊加入了測量萬有引力常數(shù)G的隊伍,開始用扭秤技術(shù)精確測量G值。
為了找到震動小,、溫度恒定的實驗場所,,他們把華中科技大學喻家山下的一處防空洞作為實驗室。山洞陰暗潮濕,,但他們埋頭科研,,一遍一遍地改進扭秤系統(tǒng),不斷優(yōu)化實驗方案,,把扭秤的靈敏度提高再提高,,把各種環(huán)境干擾降低再降低。他們除去吃飯和睡覺,,在山洞中度過了數(shù)不清的日日夜夜,。
經(jīng)過艱辛努力,2018年8月,,《自然》雜志刊發(fā)了羅俊團隊最新測G結(jié)果,,該團隊歷經(jīng)艱辛測出了截至目前國際上最高精度的G值。
在探索引力本質(zhì)的基礎(chǔ)研究道路上,,依托各種引力實驗,,他們從一開始就踏上了精密測量的應(yīng)用研究之路??臻g慣性傳感器就是其中的杰出代表,。它是空間引力研究、空間引力波探測和重力衛(wèi)星的核心設(shè)備,,根據(jù)工作模式的選取,。該設(shè)備精度高、技術(shù)難度大,,僅有法國掌握其全部技術(shù),。
2001年,為了推動研究,,羅俊與已研制出空間慣性傳感器的法國教授約好,,專門赴法國商談國際合作??墒菚媲?,對方一直拒絕走出大樓當面交談,僅僅托人給了一些書面材料,。
這讓他們深深感受到,,“在門外等”永遠也不可能擁有核心技術(shù),沒有核心技術(shù)就很難得到別人的尊重,。
2009年,,在巴黎的一個小型技術(shù)研討會上,,科學家們報告了空間慣性傳感器的研究情況,當西方科學家看到羅俊團隊研制的部分實物照片和地面測試結(jié)果時,,兩次詢問是否是自己做出來的,,詢問的語氣充滿了質(zhì)疑。
午餐會上,,羅俊與法國的空間慣性傳感器研制負責人商談購買對方更高精度產(chǎn)品的事宜,,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,,團隊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,。
“回顧過往,,我想正是因為我們在西方碰壁碰得早,所以我們醒悟得早,,早早地丟掉了用錢買核心技術(shù)的幻想,,認清了核心科技大國競爭只能靠自己的殘酷現(xiàn)實,在后來的研究中堅定不移地走自主創(chuàng)新道路,?!绷_俊說。
中山大學天琴中心教授楊山清介紹,,實現(xiàn)相關(guān)裝置設(shè)計及諸多技術(shù)細節(jié)均需團隊成員自己摸索,、自主研制,在此過程中,,他們研發(fā)出一批高精尖儀器設(shè)備,,其中很多儀器將在地球重力場的測量、地質(zhì)勘探等方面發(fā)揮重要作用,。
“不要展示的樣品,要管用的產(chǎn)品”
多年來,,在引力到引力波的研究過程中,,羅俊團隊始終堅持著造“國之重器”的理念,。羅俊經(jīng)常對團隊說:“一個科學家選擇課題必須要頂天立地,滿足國家需求的科研方向是最具價值的,?!?/p>
上世紀90年代,隨著研究的不斷深入,,團隊在引力研究領(lǐng)域的名氣越來越大,。有關(guān)部門當時正好有一項技術(shù)難題亟須解決,便將這一項目半信半疑交給了團隊,。但是,,課題主管部門的專家心里還是有疑問:物理學家概念理論多,能不能做出管用的產(chǎn)品呢,?
羅俊的學生,、華中科技大學引力中心主任周澤兵至今記憶猶新。他告訴記者:“羅老師知道他們的擔心,,實際上一開始研究慣性傳感器,,他就明確要求我,‘基礎(chǔ)物理研究要朝著應(yīng)用產(chǎn)品去做,,我們不要展示的樣品,,我們要管用的產(chǎn)品’。這對我的科研觀影響特別大,?!?/p>
為了完成這一課題,團隊使出渾身解數(shù),,向好的產(chǎn)品發(fā)起了“進攻”,。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高精度在5到10微米,。中山大學天琴中心特聘研究員薛超回憶,團隊只好自己慢慢地磨,,光一個球就磨了9個月,,精度最終達到了0.8微米。
“36年里,,這樣的例子有很多,,我們像是打磨產(chǎn)品的工匠一樣?!敝軡杀_玩笑說,,“高度壓力下,我們就是靠著做產(chǎn)品的工匠精神,,攻克一個又一個科學和技術(shù)難題的,?!?/p>
科研團隊用幾十年的時間,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。
“對事業(yè)負責,,對國家負責”
隨著引力研究的不斷深入,,團隊積累了越來越多的經(jīng)驗,也有了更寬的研究視野,,大家心中裝著一個目標:實驗室研制的東西就是要到太空去經(jīng)受檢驗,。
羅俊對大家說:“要做航天產(chǎn)品,必須上天在軌道上檢驗,,對我們自己的事業(yè)負責,,也是對國家負責。我們要有決心,,更要有信心,!”
基礎(chǔ)研究“要上天試試”何其難?其間困難阻隔,,難以計數(shù),。功夫不負有心人。2011年他們爭取到了一次搭載飛行機會,,用兩年時間研制出滿足該衛(wèi)星平臺的產(chǎn)品,,并通過了一系列實驗和論證,2013年11月25日隨某衛(wèi)星發(fā)射升空,!他們的喜悅是難以言表的,,只能用熱淚來表達。這是我國該類型空間慣性傳感器的首飛驗證,,7年過去了目前仍在軌運行正常,。
基于實驗室里大量空間引力波探測關(guān)鍵技術(shù)的驗證,羅俊在2014年3月提出了“天琴計劃”,,計劃在太空中建成一個引力波天文臺來探測引力波,,向著當今世界引力研究的最前沿、科學研究的新高峰發(fā)起挑戰(zhàn),。
2019年12月20日,,搭載“天琴一號”衛(wèi)星的長征四號乙運載火箭沖上云霄,意味著中國醞釀近20年,、正式提出5年多的天琴空間引力波探測計劃,,正式進入“太空試驗”階段。
2020年5月21日,“天琴一號”傳來好消息,,數(shù)據(jù)顯示,,所有技術(shù)指標全部優(yōu)于任務(wù)要求,達到國內(nèi)同類技術(shù)的最高水平,。羅俊院士說:“目前衛(wèi)星狀態(tài)良好,下一階段將進入拓展實驗階段,?!?/p>
目前,“天琴二號”各項工作正在穩(wěn)步推進,,關(guān)鍵技術(shù)取得突破,,計劃在2025年前后發(fā)射。
在太空中探測引力波,,不僅能夠看到宇宙演化的圖片,,還能夠利用引力波探測聽到宇宙演化的聲音,相當于從看無聲電影到看有聲電影,。羅俊說,,引力波不能只是科學展示品,而應(yīng)該成為人類探測宇宙的實用工具,,這就是LIGO首次探測到引力波之后,,我們還要繼續(xù)做引力波探測的根本目的。
羅俊說:“‘天琴計劃’不僅僅吸引著有科學興趣的人,,也越來越多地吸引著立志科研報國的各類人才,。因為這個最終目標好似一個牽引器,它會‘生’出一個又一個國家急需的核心技術(shù),、戰(zhàn)略重器,,這是作為科學家的責任?!?/p>