中大新聞網(wǎng)訊（通訊員薛超）世間萬(wàn)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(kāi)創(chuàng)經(jīng)典力學(xué)以來(lái)，這個(gè)物理學(xué)領(lǐng)域基礎(chǔ)的科學(xué)問(wèn)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(kāi)始，一群中國(guó)科學(xué)家用39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(lái)講，39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(wàn)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(lái)39年又很短?；A(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(wèn)題的過(guò)程中，用一個(gè)又一個(gè)重量級(jí)成果給出了答案。

高精度引力實(shí)驗(yàn)

從1687年牛頓發(fā)表萬(wàn)有引力定律，到卡文迪許第一次用扭秤實(shí)驗(yàn)測(cè)出萬(wàn)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(wàn)有引力常數(shù)G的隊(duì)伍，開(kāi)始用扭秤技術(shù)精確測(cè)量G值。經(jīng)過(guò)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(kāi)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(zhuān)門(mén)赴法國(guó)商談國(guó)際合作?？墒菚?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(shū)面材料。這讓他們深深感受到，“在門(mén)外等”永遠(yuǎn)也不可能擁有核心技術(shù)，沒(méi)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(xún)問(wèn)是否是自己做出來(lái)的，詢(xún)問(wèn)的語(yǔ)氣充滿(mǎn)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(mǎi)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(wú)價(jià)的，中國(guó)要想使用，“必須交換”?！叭绾谓粨Q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(wú)理的要求，意味著可能拱手送出國(guó)家機(jī)密！”羅俊說(shuō)，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(xiàn)、自主制定測(cè)量方案、自主研發(fā)儀器設(shè)備。

“回顧過(guò)往，我想正是因?yàn)槲覀冊(cè)谖鞣脚霰谂龅迷纾晕覀冃盐虻迷?，早早地丟掉了用錢(qián)買(mǎi)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(lái)的研究中堅(jiān)定不移地走自主創(chuàng)新道路?！绷_俊說(shuō)。

天琴計(jì)劃和天琴一號(hào)

隨著引力研究的不斷深入，團(tuán)隊(duì)積累了越來(lái)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)室研制的設(shè)備就是要到太空去經(jīng)受檢驗(yàn)。羅俊對(duì)大家說(shuō)：“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(mǎn)足該衛(wèi)星平臺(tái)的產(chǎn)品，并通過(guò)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(lái)表達(dá)。這是我國(guó)該類(lèi)型空間慣性傳感器的首飛驗(yàn)證，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(lái)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。“天琴一號(hào)”技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星對(duì)高精度慣性傳感、連續(xù)可調(diào)微牛頓級(jí)推進(jìn)、無(wú)拖曳控制、高精度激光干涉測(cè)量、高穩(wěn)定度溫度控制和高精度質(zhì)心控制六大關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了一次綜合在軌試驗(yàn)。2020年5月21日，“天琴一號(hào)”傳來(lái)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。目前衛(wèi)星已圓滿(mǎn)完成任務(wù)，六大關(guān)鍵技術(shù)在軌驗(yàn)證全部通過(guò)，所有指標(biāo)達(dá)到國(guó)內(nèi)最高水平。其中團(tuán)隊(duì)研制的靜電加速度計(jì)在“天琴一號(hào)”技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星上在軌實(shí)測(cè)噪聲水平比國(guó)內(nèi)原有水平提高了約2個(gè)量級(jí)。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。

“天琴一號(hào)”技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星概念圖

“天琴一號(hào)”技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星模型

“天琴一號(hào)”技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射升空

“天琴一號(hào)”技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射合影

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(tīng)到宇宙演化的聲音，相當(dāng)于從看無(wú)聲電影到看有聲電影。羅俊說(shuō)，引力波不能只是科學(xué)展示品，而應(yīng)該成為人類(lèi)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(shuō)：“ ‘天琴計(jì)劃’不僅僅吸引著有科學(xué)興趣的人，也越來(lái)越多地吸引著立志科研報(bào)國(guó)的各類(lèi)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?！?/p>

地月激光測(cè)距

上世紀(jì)60年代，美國(guó)和蘇聯(lián)開(kāi)始進(jìn)行激光測(cè)月試驗(yàn)。此后，美國(guó)和蘇聯(lián)先后在月球上共部署了五個(gè)可供進(jìn)行激光測(cè)距的反射器陣列，月球激光測(cè)距成為最精準(zhǔn)的地月距離測(cè)量手段。之后幾十年里，陸續(xù)有法國(guó)、意大利、德國(guó)等的多家測(cè)站進(jìn)行過(guò)激光測(cè)月相關(guān)研究。但是月球激光測(cè)距涉及望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、光路系統(tǒng)、光子探測(cè)系統(tǒng)以及其他輔助系統(tǒng)，是一項(xiàng)涉及多學(xué)科領(lǐng)域的復(fù)雜的精密技術(shù)，國(guó)際上能夠成功測(cè)月的只有極少數(shù)測(cè)站。近幾年，能夠進(jìn)行常規(guī)激光測(cè)月的只有法國(guó)格拉斯測(cè)站、意大利馬泰拉測(cè)站以及美國(guó)阿帕奇點(diǎn)天文臺(tái)。我國(guó)多年來(lái)在月球激光測(cè)距方面始終未能突破，只能“望月興嘆”。

2015年開(kāi)始，天琴計(jì)劃“0123”技術(shù)路線(xiàn)圖中“0”步驟項(xiàng)目實(shí)施，團(tuán)隊(duì)啟動(dòng)月球激光測(cè)距任務(wù)，并得到了國(guó)家航天局和國(guó)家自然科學(xué)基金委應(yīng)急管理項(xiàng)目的支持。團(tuán)隊(duì)研制的新一代激光測(cè)距反射器于2018年5月21日搭載嫦娥四號(hào)中繼衛(wèi)星“鵲橋”發(fā)射升空；同時(shí)在該項(xiàng)目支持下，中科院云南天文臺(tái)升級(jí)昆明站的激光測(cè)距系統(tǒng)，于2018年1月22日首次測(cè)出地月距離。2019年初，位于中山大學(xué)珠海校區(qū)的天琴測(cè)距臺(tái)站建成，并于當(dāng)年11月7日晚首次獲得月球上的全部五個(gè)激光測(cè)距反射器A.15、A14、A11、L1、L2）的回波信號(hào)，測(cè)量精度進(jìn)入厘米量級(jí)，我國(guó)成為世界上第三個(gè)完成了該實(shí)驗(yàn)的國(guó)家。由于這些工作，天琴中心獲得了多個(gè)中央部委共同頒發(fā)的“探月工程嫦娥四號(hào)任務(wù)突出貢獻(xiàn)單位”殊榮。

激光測(cè)距反射鏡

團(tuán)隊(duì)與研制的激光測(cè)距反射器合影

天琴計(jì)劃激光測(cè)距臺(tái)站

月球上五個(gè)激光測(cè)距反射器A15、A14、A11、L1、L2

1.2m激光測(cè)距望遠(yuǎn)鏡

天琴中心獲探月工程嫦娥四號(hào)任務(wù)突出貢獻(xiàn)單位

月球激光測(cè)距實(shí)驗(yàn)的成功，為我國(guó)提供了高精度地月距離測(cè)量的第一手?jǐn)?shù)據(jù)，為我國(guó)在引力物理、地月系動(dòng)力學(xué)、月球科學(xué)等方面研究的突破創(chuàng)造了條件。除此之外，作為天琴“0123”技術(shù)路線(xiàn)圖的第“0”步，地月激光測(cè)距的成功為天琴衛(wèi)星的高精度定軌提供了必要的技術(shù)儲(chǔ)備，對(duì)于天琴計(jì)劃的順利實(shí)施有重要意義。

從引力到引力波，39年很長(zhǎng)，39年又很短，天琴團(tuán)隊(duì)扎根基礎(chǔ)研究，不斷開(kāi)拓創(chuàng)新，勇于拼搏，銳意進(jìn)取，用一個(gè)又一個(gè)重量級(jí)成果向著當(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)，在科研報(bào)國(guó)的道路上一步一個(gè)腳印扎實(shí)地前進(jìn)，用實(shí)際行動(dòng)報(bào)效國(guó)家。

文稿終審：物理與天文學(xué)院 郝雅娟