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两所跨省高校如何共奏“天琴之音”


2020-06-26 阅读次数:

 近日,全国人大代表、中国科学院院士、中山大学校长罗俊在全国两会期间向媒体传来好消息:我国首颗由国家立项、高校牵头的空间引力波探测技术验证星“天琴一号”六大引力波空间探测的共性关键技术在轨验证全部通过,所有技术指标全部优于任务要求。空间引力波探测的关键技术之一惯性基准技术取得突破性成功,标志我国成为世界第二个掌握高精度惯性基准技术的国家。

天琴一号传来的消息让人振奋,让参与天琴计划的科学工作者们备受鼓舞,更让广大基础研究工作者倍感振奋。回顾这一成功的背后,天琴计划凝聚着中山大学和华中科技大学两所双一流高校数百位研究人员30多年的心血与青春。两校如何共奏“天琴之音”?这群“测天观地”科学家们如何书写“天琴故事”?

师出同门:从喻家山到康乐园

1985年,从喻家山上的人防山洞中走出了一位青年,在师友们的关心和鼓励下登上了南下广州的火车,直奔中山大学所在地康乐园,在这里他要参加自己人生中第一场重要的论文答辩——硕士学位论文。彼时,他刚从华中工学院研究生毕业。由于该校没有理论物理学科硕士学位授予权,加之导师不在国内,而当时的中山大学引力物理研究室在国内已小有名气,且拥有硕士学位授予权,于是,在原华中工学院研究生院领导的帮助协调下,他到中山大学完成毕业论文答辩,当时的答辩委员会主席,中山大学老一辈物理学家郑庆璋教授对其印象颇深,评价是“他很谦逊,很用功,能把非常微弱的引力测量研究做到这样的非常不容易。”30年后的2015年,他再次来到中山大学康乐园,但当年的学生此时已是这所大学的校长,他就是罗俊。

1979年,引力波专用实验室正式建成,这是当时国内仅有的两个同类型实验室之一。中山大学开展了引力波的实验室探测,建成了大型室温共振式引力波探测器,其灵敏度居国际前列。

1983年,尚在就读研究生一年级的罗俊就开始参与组建华中科技大学引力中心团队,在喻家山人防山洞进行引力研究,或许1985年在中山大学的答辩经历,让他进一步确定了这位“引力人”的人生轨迹。

十年磨一剑,1994年罗俊就开始在华中科技大学引力中心的山洞实验室进行基础研究布局。2014年3月24日,“天琴”空间引力波探测计划在华中科技大学正式诞生。至此,罗俊团队已经为了探测引力波准备了三十多年。

精诚合作:涓涓细流汇成大海

“天琴一号”卫星发射成功,在轨技术验证圆满完成只是天琴计划万里长征的一小步,罗俊强调:“距离任务实现仍任重道远,这是几代科学家的事业,我们有信心,因为高校牵头的最大优势就是完备的人才培养体系,源源不断的人才是可持续攻关的机制保障。”

华中科技大学和中山大学在空间引力波探测计划中各自拥有相对成熟的人才培养体系。在关键技术中,华中科技大学在精密测量和惯性传感技术方面见长,而中山大学则胜在激光干涉测量和空间技术等方面。

罗俊团队从20世纪80年代开始采用扭秤技术精确测量万有引力常数G,历时30年实现三大突破,测出了截至目前国际上最高精度的G值,成果论文登上《自然》杂志。论文第一作者、中山大学天琴中心特聘研究员薛超说,这一成果不仅能提升我国在基础物理学领域的话语权,实验过程中一批高精端的仪器设备被研发出来,且其中很多仪器将在地球重力场的测量、地质勘探等方面发挥重要作用。如团队发展的精密扭秤技术已经成功应用在卫星微推进器的微推力标定、空间惯性传感器的地面标定等方面,这些仪器将为天琴计划的顺利实施奠定良好的基础。

与薛超一道,共同参与测G的华中科技大学博士生刘祺,现在已经成为中山大学天琴中心副教授。2015年7月,自中山大学和华中科技大学正式组建研究小组开展我国空间引力波探测计划以来,中山大学天琴中心与华中科技大学引力中心已经通过互派访问学者、兼职教授、博士后入站等方式,实现人才队伍双向交流,互通有无。

2018年5月21日,中山大学牵头研制的激光角反射器搭载嫦娥四号中继卫星“鹊桥”号上天,进行激光测距试验,推动天琴计划激光测距技术的发展。中山大学天琴中心副主任叶贤基教授、刘祺等人主要负责激光角反射器研制项目,华中科技大学引力中心协助研制。

刘祺向记者回忆了一个故事,该项目酝酿于华中科技大学引力中心2014年年底召开的一次外国专家报告会,2015年开始在中山大学布局研制,2018年研制成功并飞上太空。时间紧,任务重,发射上天之前数次模拟航空实验等待过程中“莫名的紧张感觉”仿佛还未消退。一个有意思的细节,研制过程中,已经入职中山大学天琴中心的段会宗博士还经常回武汉传授玻璃粘接的技术,亦是两校精诚合作的剪影。

另一边,罗俊院士学生、现华中科技大学引力中心主任周泽兵教授在老师的带领下,潜心20多年钻研空间惯性传感技术——这是空间引力波探测的关键技术之一,相当于空间引力波的“探头”。在去年年底发射升空的“天琴一号”卫星上,这一技术的在轨验证非常出色,超出了任务要求的指标。

对此,周泽兵早有信心。因为他负责的这项技术此前已经在我国多个卫星上取得在轨验证的成功。天琴计划,让这位“熬20年做一个技术”的华科教授,常年奔波于武汉与珠海之间。“做好空间引力波的‘探头’,是我的使命。”周泽兵说。

展望未来:琴音即将奏响,我辈更需努力

时间回到一年前,2019年6月8日,刚建成三个月的中山大学珠海激光测距台站成功获得月面发射器回波信号。2019年11月7日珠海台站获取月面全部五个角反射器的回波信号。这是新时代诸多“中国速度”在中山大学的一个体现,自此中国一举成为继美国法国之后世界上第三个有能力测到月面上所有反射器的国家。同时,这也完成了天琴计划“0123”思路的“0”阶段任务——发展高轨卫星激光测距技术,为天琴卫星精密定轨提供辅助手段。又过了半年,“天琴一号”卫星成功入轨,“1”阶段任务开启。

中国的卫星激光测距技术开启于20世纪70年代。整整50年,经过数辈科学家的不断努力,终于攻克了这一难题。叶贤基认为,这一难题的攻克给了两大启示一大思考:“启示一:大项目的牵引;启示二:高校人才梯队的培养即大团队。一大思考是基础研究需要‘慢火炖’,战略性布局不可忽视。”

中山大学自2015年以来一直在推进“三大”建设,争取大项目、组建大团队、建设大平台,是学校探索并实践的特色科研发展道路。天琴计划就是典型的“三大”建设,“天琴一号”顺利完成验证任务,是天琴空间引力波探测计划的重大突破,对于空间科学和技术发展也具多方面意义。

专家表示,虽然空间引力波探测技术取得重大进展,但距离任务实现仍“任重道远”,需加强重视。天琴计划还需要很多方面的技术和人才,涉及物理学、天文学、航空宇航科学与技术等多个学科。

这意味着两所双一流学校还需要在上述学科领域继续深入合作,才能奏出“最美的天琴之音”

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