中大新聞網(wǎng)訊（通訊員薛超）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，一群中國科學(xué)家用39年的時間，探索引力的本質(zhì)究竟是什么。對于一位科學(xué)家的科研生涯來講，39年很長。但是，在西方科學(xué)家主導(dǎo)了300多年的領(lǐng)域里，中國科學(xué)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39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(xué)問題的過程中，用一個又一個重量級成果給出了答案。
高精度引力實驗
從1687年牛頓發(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(xué)家主導(dǎo)這一領(lǐng)域的研究達300多年。上世紀(jì)80年代，中國科學(xué)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。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。空間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。可是會面前，對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(xué)家們報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(fù)責(zé)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(rèn)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。
天琴計劃和天琴一號
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(biāo)：實驗室研制的設(shè)備就是要到太空去經(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(fù)責(zé)，也是對國家負(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，難以計數(shù)。功夫不負(fù)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，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(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”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。“天琴一號”技術(shù)試驗衛(wèi)星對高精度慣性傳感、連續(xù)可調(diào)微牛頓級推進、無拖曳控制、高精度激光干涉測量、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)進行了一次綜合在軌試驗。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(biāo)全部優(yōu)于任務(wù)要求。目前衛(wèi)星已圓滿完成任務(wù)，六大關(guān)鍵技術(shù)在軌驗證全部通過，所有指標(biāo)達到國內(nèi)最高水平。其中團隊研制的靜電加速度計在“天琴一號”技術(shù)試驗衛(wèi)星上在軌實測噪聲水平比國內(nèi)原有水平提高了約2個量級。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。
“天琴一號”技術(shù)試驗衛(wèi)星概念圖
“天琴一號”技術(shù)試驗衛(wèi)星模型
“天琴一號”技術(shù)試驗衛(wèi)星發(fā)射升空
“天琴一號”技術(shù)試驗衛(wèi)星發(fā)射合影
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(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(xué)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(biāo)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(xué)家的責(zé)任。”
地月激光測距
上世紀(jì)60年代，美國和蘇聯(lián)開始進行激光測月試驗。此后，美國和蘇聯(lián)先后在月球上共部署了五個可供進行激光測距的反射器陣列，月球激光測距成為最精準(zhǔn)的地月距離測量手段。之后幾十年里，陸續(xù)有法國、意大利、德國等的多家測站進行過激光測月相關(guān)研究。但是月球激光測距涉及望遠鏡系統(tǒng)、光路系統(tǒng)、光子探測系統(tǒng)以及其他輔助系統(tǒng)，是一項涉及多學(xué)科領(lǐng)域的復(fù)雜的精密技術(shù)，國際上能夠成功測月的只有極少數(shù)測站。近幾年，能夠進行常規(guī)激光測月的只有法國格拉斯測站、意大利馬泰拉測站以及美國阿帕奇點天文臺。我國多年來在月球激光測距方面始終未能突破，只能“望月興嘆”。
2015年開始，天琴計劃“0123”技術(shù)路線圖中“0”步驟項目實施，團隊啟動月球激光測距任務(wù)，并得到了國家航天局和國家自然科學(xué)基金委應(yīng)急管理項目的支持。團隊研制的新一代激光測距反射器于2018年5月21日搭載嫦娥四號中繼衛(wèi)星“鵲橋”發(fā)射升空；同時在該項目支持下，中科院云南天文臺升級昆明站的激光測距系統(tǒng)，于2018年1月22日首次測出地月距離。2019年初，位于中山大學(xué)珠海校區(qū)的天琴測距臺站建成，并于當(dāng)年11月7日晚首次獲得月球上的全部五個激光測距反射器A.15、A14、A11、L1、L2）的回波信號，測量精度進入厘米量級，我國成為世界上第三個完成了該實驗的國家。由于這些工作，天琴中心獲得了多個中央部委共同頒發(fā)的“探月工程嫦娥四號任務(wù)突出貢獻單位”殊榮。
激光測距反射鏡
團隊與研制的激光測距反射器合影
天琴計劃激光測距臺站
月球上五個激光測距反射器A15、A14、A11、L1、L2
1.2m激光測距望遠鏡
天琴中心獲探月工程嫦娥四號任務(wù)突出貢獻單位
月球激光測距實驗的成功，為我國提供了高精度地月距離測量的第一手?jǐn)?shù)據(jù)，為我國在引力物理、地月系動力學(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)路線圖的第“0”步，地月激光測距的成功為天琴衛(wèi)星的高精度定軌提供了必要的技術(shù)儲備，對于天琴計劃的順利實施有重要意義。
從引力到引力波，39年很長，39年又很短，天琴團隊扎根基礎(chǔ)研究，不斷開拓創(chuàng)新，勇于拼搏，銳意進取，用一個又一個重量級成果向著當(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)，在科研報國的道路上一步一個腳印扎實地前進，用實際行動報效國家。
文稿終審：物理與天文學(xué)院 郝雅娟
