精密测量:无尽的追求

作者: 张双虎

来源: 中国科学报

发布日期: 2023-03-27 19:49:45

在国家自然科学基金重大研究计划“精密测量物理”项目稳定资助下,我国不仅在精密测量领域取得了多项“世界最好”“精度最高”的成就,凝聚、培养了一支队伍,大大增强了在该领域的国际话语权和竞争力,还辐射带动了相关学科发展。精密测量物理对实验条件要求极高,数千米外的振动、电流波动、地球磁场,甚至空气温湿度都会影响测量精度。为避免外界扰动,30多年前,罗俊等人就将实验室建在位于喻家山的一个山洞里。得益于安静的实验环境,罗俊团队测出了世界上测量精度最高的G值(引力常数)。至今,该数值仍保持着世界第一的纪录。精密测量物理研究需要长期积累,研究者要耐得住寂寞,但也需要得到长期稳定的支持。精密测量物理有两个特点:一是高精尖,二是研究周期特别长。

十几年前,当数位战略科学家聚首探讨精密测量物理学科发展走向时,他们预判中国会一步步缩小和国际先进水平的差距,有一天会走在国际前沿,甚至引领发展。他们没料到的是,这一天来得如此之快,当然也没料到“卡脖子”同样来得很快。当下,世界正经历百年未有之大变局,科研环境也发生了巨大变化。所幸十几年前,在国家自然科学基金等的资助下,我国布局了一批前瞻性、引领性的基础研究。

在国家自然科学基金重大研究计划——“精密测量物理”项目稳定资助下,我国不仅在精密测量领域取得了多项“世界最好”“精度最高”的成就,凝聚、培养了一支队伍,大大增强了在该领域的国际话语权和竞争力,还辐射带动了相关学科发展。“算是对我们10年‘打工’的鼓励吧。

”谈及“精密测量物理”重大研究计划的研究成果对相关学科的引领带动作用,中国科学院院士,华中科技大学、中山大学教授罗俊的语调中透着实现“小目标”的轻松。实际上,这项超前布局的研究计划仅酝酿谋划就用了5年时间。此后在研10年,“聚队伍、聚智慧、聚重点、聚资源、聚突破”,项目成果全面超越预期目标。“十几年前,国家自然科学基金支持一批科研人员开展精密测量物理研究确实很有开拓性。

”罗俊告诉《中国科学报》,“这项研究计划虽然圆满结题了,但精密测量永无止境,精益求精是无尽的追求。”精密测量物理对实验条件要求极高,数千米外的振动、电流波动、地球磁场,甚至空气温湿度都会影响测量精度。为避免外界扰动,30多年前,罗俊等人就将实验室建在位于喻家山的一个山洞里。在罗俊团队的引力常数测量进行到关键时期时,地方政府按规划准备在喻家山下修一条路。

“修路会引发两个问题:一是山体稳定性发生变化,这些微小变化会导致实验环境不稳定;二是修路过程中及修好后,车辆经过产生的震动会影响测量精度。”了解到罗俊的担忧,华中科技大学和武汉市都非常支持实验研究。最后,武汉市调整道路规划,终止了道路修建。得益于安静的实验环境,罗俊团队测出了世界上测量精度最高的G值(引力常数)。至今,该数值仍保持着世界第一的纪录。

“精密测量物理要测的通常是非常小的数值,它无限趋近于‘0’,但永远不会达到‘0’。例如,我们进行粒子、量子、多粒子纠缠等前沿研究,背景补偿(抵消环境磁场的影响)做得越好,测量结果就越准。”尤力感慨地说,“我们测一个量,总希望向小数点后再多推一位,但最终要推到什么地方、推到什么程度,没有人知道。所以精密测量物理没有止境,需要长期坚持,也需要长期支持。”

“我们常说十年磨一剑,从事精密测量物理研究真的需要长期积累。”华中科技大学教授胡忠坤说,“它需要10年、20年,甚至更长时间才有可能见到成效,因此研究者要耐得住寂寞,但也需要得到长期稳定的支持。”“精密测量物理有两个特点:一是高精尖,二是研究周期特别长。”山西大学教授张靖补充说。20世纪90年代初,张靖还在华中科技大学读本科,有时会到位于喻家山山洞的实验室上课。

他记得当时山洞两边都是实验室,里面很安静,感觉很神秘。“精密测量物理研究不是三两个人花两三年时间就能取得成果的。罗老师选择在山洞里做实验,还带出一支队伍,一步步把精度提高再提高,确实很有魄力。”张靖说。“我们国家的科学研究已经形成了崭新的局面,上了一个历史性的新台阶。现在我们山洞的实验条件是30年前根本无法想象的,每个实验室都‘鸟枪换炮’,不知道好到哪儿去了。

”罗俊说,“但当初也没觉得条件多艰苦,因为有兴趣、有追求,希望能精益求精,所以并未在意‘苦’还是‘不苦’。”“进行精密测量物理研究,总是想精益求精,把精度提高点,再提高点。

”清华大学教授尤力对《中国科学报》说,“进实验室打开仪器,我们就知道北京地铁4号线列车什么时间进站、什么时间出站,地铁运转产生的磁场会严重影响原子能级……”尽管北京地铁4号线从清华大学、北京大学两所高校旁通过时采取了一系列减震措施,但轻轨列车进站减速、出站加速时电流变化产生的磁场,还是会影响1.5公里外清华大学的原子分子与光物理实验。

磁场变化会引起原子能级移动,给光学测量带来不确定性,使科学家无法判断是否出现了误差。虽然研究人员已经习惯在夜深人静时做实验,但很多扰动仍无法避免。“我们做原子分子与光物理研究时,原子的磁矩就像一块小磁石,它周围的磁场扰动会让原子磁矩抖动,导致测量信号不确定。”尤力说,“环境中各种扰动、噪声、磁场等都会影响测量结果。”“我们常说十年磨一剑,从事精密测量物理研究真的需要长期积累。

”华中科技大学教授胡忠坤说,“它需要10年、20年,甚至更长时间才有可能见到成效,因此研究者要耐得住寂寞,但也需要得到长期稳定的支持。”“精密测量物理有两个特点:一是高精尖,二是研究周期特别长。”山西大学教授张靖补充说。20世纪90年代初,张靖还在华中科技大学读本科,有时会到位于喻家山山洞的实验室上课。他记得当时山洞两边都是实验室,里面很安静,感觉很神秘。

“精密测量物理研究不是三两个人花两三年时间就能取得成果的。罗老师选择在山洞里做实验,还带出一支队伍,一步步把精度提高再提高,确实很有魄力。”张靖说。“我们国家的科学研究已经形成了崭新的局面,上了一个历史性的新台阶。现在我们山洞的实验条件是30年前根本无法想象的,每个实验室都‘鸟枪换炮’,不知道好到哪儿去了。

”罗俊说,“但当初也没觉得条件多艰苦,因为有兴趣、有追求,希望能精益求精,所以并未在意‘苦’还是‘不苦’。”

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