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)星的核心設備,根據(jù)工作模式的選取。該設備精度高、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??墒菚媲埃瑢Ψ揭恢本芙^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——自主設計實驗路線、自主制定測量方案、自主研發(fā)儀器設備。
“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。”羅俊說。
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。”
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。”
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。”周澤兵開玩笑說,“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。”
科研團隊用幾十年的時間,應用精密測量技術(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。”
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。”(記者 龍躍梅 通 訊 員 黃 艷 趙現(xiàn)廷)
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