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(shí)驗(yàn)測(cè)出萬有引力常數(shù)G值，西方科學(xué)家主導(dǎo)這一領(lǐng)域的研究300多年。上世紀(jì)80年代，中國(guó)科學(xué)家羅俊及其團(tuán)隊(duì)加入了測(cè)量萬有引力常數(shù)G的隊(duì)伍。

5月21日，全國(guó)人大代表、中國(guó)科學(xué)院院士、我國(guó)空間引力波探測(cè)“天琴計(jì)劃”首席科學(xué)家羅俊院士透露，經(jīng)過多方評(píng)估，“天琴一號(hào)”衛(wèi)星六大技術(shù)在軌驗(yàn)證全部通過，每項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都優(yōu)于任務(wù)目標(biāo)，達(dá)到國(guó)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(xué)以來，這個(gè)物理學(xué)領(lǐng)域基礎(chǔ)的科學(xué)問題之一，讓物理學(xué)家輾轉(zhuǎn)幾百年，至今仍在探索。

從1984年開始，一群中國(guó)科學(xué)家用36年的時(shí)間，探索引力的本質(zhì)究竟是什么。對(duì)于一位科學(xué)家的科研生涯來講，36年很長(zhǎng)。但是，在西方科學(xué)家主導(dǎo)了300多年的領(lǐng)域里，中國(guó)科學(xué)家測(cè)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(cè)“天琴計(jì)劃”，這樣看來36年又很短。

基礎(chǔ)研究如何報(bào)效國(guó)家和社會(huì)?羅俊院士和天琴團(tuán)隊(duì)在探索科學(xué)問題的過程中，用一個(gè)又一個(gè)重量級(jí)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(shí)驗(yàn)測(cè)出萬有引力常數(shù)G值，西方科學(xué)家主導(dǎo)這一領(lǐng)域的研究達(dá)300多年。

上世紀(jì)80年代，中國(guó)科學(xué)家羅俊及其團(tuán)隊(duì)加入了測(cè)量萬有引力常數(shù)G的隊(duì)伍，開始用扭秤技術(shù)精確測(cè)量G值。

為了找到震動(dòng)小、溫度恒定的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所，他們把華中科技大學(xué)喻家山下的一處防空洞作為實(shí)驗(yàn)室。山洞陰暗潮濕，但他們埋頭科研，一遍一遍地改進(jìn)扭秤系統(tǒng)，不斷優(yōu)化實(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)最新測(cè)G結(jié)果，該團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)艱辛測(cè)出了截至目前國(guó)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(shí)驗(yàn)，他們從一開始就踏上了精密測(cè)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(cè)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(guó)掌握其全部技術(shù)。

2001年，為了推動(dòng)研究，羅俊與已研制出空間慣性傳感器的法國(guó)教授約好，專門赴法國(guó)商談國(guó)際合作。可是會(huì)面前，對(duì)方一直拒絕走出大樓當(dāng)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(yuǎn)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(gè)小型技術(shù)研討會(huì)上，科學(xué)家們報(bào)告了空間慣性傳感器的研究情況，當(dāng)西方科學(xué)家看到羅俊團(tuán)隊(duì)研制的部分實(shí)物照片和地面測(cè)試結(jié)果時(shí)，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(huì)上，羅俊與法國(guó)的空間慣性傳感器研制負(fù)責(zé)人商談購(gòu)買對(duì)方更高精度產(chǎn)品的事宜，對(duì)方提出該儀器不是商品，是無價(jià)的，中國(guó)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?cè)紨?shù)據(jù)。這是非常霸道無理的要求，意味著可能拱手送出國(guó)家機(jī)密!”羅俊說，經(jīng)歷這件事后，團(tuán)隊(duì)更加堅(jiān)定了要走獨(dú)立自主的研究道路——自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)路線、自主制定測(cè)量方案、自主研發(fā)儀器設(shè)備。

“回顧過往，我想正是因?yàn)槲覀冊(cè)谖鞣脚霰谂龅迷?，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(rèn)清了核心科技大國(guó)競(jìng)爭(zhēng)只能靠自己的殘酷現(xiàn)實(shí)，在后來的研究中堅(jiān)定不移地走自主創(chuàng)新道路。”羅俊說。

中山大學(xué)天琴中心教授楊山清介紹，實(shí)現(xiàn)相關(guān)裝置設(shè)計(jì)及諸多技術(shù)細(xì)節(jié)均需團(tuán)隊(duì)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(chǎng)的測(cè)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(tuán)隊(duì)始終堅(jiān)持著造“國(guó)之重器”的理念。羅俊經(jīng)常對(duì)團(tuán)隊(duì)說：“一個(gè)科學(xué)家選擇課題必須要頂天立地，滿足國(guó)家需求的科研方向是最具價(jià)值的。”

上世紀(jì)90年代，隨著研究的不斷深入，團(tuán)隊(duì)在引力研究領(lǐng)域的名氣越來越大。有關(guān)部門當(dāng)時(shí)正好有一項(xiàng)技術(shù)難題亟須解決，便將這一項(xiàng)目半信半疑交給了團(tuán)隊(duì)。但是，課題主管部門的專家心里還是有疑問：物理學(xué)家概念理論多，能不能做出管用的產(chǎn)品呢?

羅俊的學(xué)生、華中科技大學(xué)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(dān)心，實(shí)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(duì)我的科研觀影響特別大。”

為了完成這一課題，團(tuán)隊(duì)使出渾身解數(shù)，向好的產(chǎn)品發(fā)起了“進(jìn)攻”。引力實(shí)驗(yàn)中要用到一種特殊的鋼球，每個(gè)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(xué)天琴中心特聘研究員薛超回憶，團(tuán)隊(duì)只好自己慢慢地磨，光一個(gè)球就磨了9個(gè)月，精度最終達(dá)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(gè)又一個(gè)科學(xué)和技術(shù)難題的。”

科研團(tuán)隊(duì)用幾十年的時(shí)間，應(yīng)用精密測(cè)量技術(shù)，取得高精度星載加速度計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)突破，打破了制約我國(guó)重力衛(wèi)星研究的瓶頸。

“對(duì)事業(yè)負(fù)責(zé)，對(duì)國(guó)家負(fù)責(zé)”

隨著引力研究的不斷深入，團(tuán)隊(duì)積累了越來越多的經(jīng)驗(yàn)，也有了更寬的研究視野，大家心中裝著一個(gè)目標(biāo)：實(shí)驗(yàn)室研制的東西就是要到太空去經(jīng)受檢驗(yàn)。

羅俊對(duì)大家說：“要做航天產(chǎn)品，必須上天在軌道上檢驗(yàn)，對(duì)我們自己的事業(yè)負(fù)責(zé)，也是對(duì)國(guó)家負(fù)責(zé)。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(jì)數(shù)。功夫不負(fù)有心人。2011年他們爭(zhēng)取到了一次搭載飛行機(jī)會(huì)，用兩年時(shí)間研制出滿足該衛(wèi)星平臺(tái)的產(chǎn)品，并通過了一系列實(shí)驗(yàn)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(dá)。這是我國(guó)該類型空間慣性傳感器的首飛驗(yàn)證，7年過去了目前仍在軌運(yùn)行正常。

基于實(shí)驗(yàn)室里大量空間引力波探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)的驗(yàn)證，羅俊在2014年3月提出了“天琴計(jì)劃”，計(jì)劃在太空中建成一個(gè)引力波天文臺(tái)來探測(cè)引力波，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)。

2019年12月20日，搭載“天琴一號(hào)”衛(wèi)星的長(zhǎng)征四號(hào)乙運(yùn)載火箭沖上云霄，意味著中國(guó)醞釀近20年、正式提出5年多的天琴空間引力波探測(cè)計(jì)劃，正式進(jìn)入“太空試驗(yàn)”階段。

2020年5月21日，“天琴一號(hào)”傳來好消息，數(shù)據(jù)顯示，所有技術(shù)指標(biāo)全部?jī)?yōu)于任務(wù)要求，達(dá)到國(guó)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(jìn)入拓展實(shí)驗(yàn)階段。”

目前，“天琴二號(hào)”各項(xiàng)工作正在穩(wěn)步推進(jìn)，關(guān)鍵技術(shù)取得突破，計(jì)劃在2025年前后發(fā)射。

在太空中探測(cè)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(cè)聽到宇宙演化的聲音，相當(dāng)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(xué)展示品，而應(yīng)該成為人類探測(cè)宇宙的實(shí)用工具，這就是LIGO首次探測(cè)到引力波之后，我們還要繼續(xù)做引力波探測(cè)的根本目的。

羅俊說：“‘天琴計(jì)劃’不僅僅吸引著有科學(xué)興趣的人，也越來越多地吸引著立志科研報(bào)國(guó)的各類人才。因?yàn)檫@個(gè)最終目標(biāo)好似一個(gè)牽引器，它會(huì)‘生’出一個(gè)又一個(gè)國(guó)家急需的核心技術(shù)、戰(zhàn)略重器，這是作為科學(xué)家的責(zé)任。”(記者 龍躍梅 通 訊 員 黃 艷 趙現(xiàn)廷)

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