万有引力常数 测出最精确万有引力常数G值 2018年新发现颠覆传统认知

今年，新发现颠覆了传统认知

一百年来，科学家们找到了万有引力常数g值的新答案。为科技界服务了130年的国际千克装置正面临退役，从太空飞行到地球四极。2018年，新技术辅助下的科学新发现不断颠覆人类现有的认知。

Deep 空探索开启新征程

12月8日，在西昌卫星发射中心，我国用长征三号乙成功发射嫦娥四号探测器，开启了探月新征程。嫦娥四号和嫦娥三号是双胞胎。外观虽与“三姐妹”相同，但与嫦娥三号“测月、测天、观地”的科学目标不同。嫦娥四号将经历近几个月的地月转移、制动和绕月飞行，最终实现月球背面首次软着陆，开展月球背面定位探测和巡视探测，通过已在任务轨道运行的“鹊桥”中继星实现月球背面与地球之间的中继通信。

作为中国改革开放40年的重要成果之一，11月19日，随着两颗全球组网卫星从西昌卫星发射中心空顺利升空，中国成功完成北斗三号基础系统星座部署。

北斗三号工程于2009年正式启动后，目前正分三步实施组网:最简单的系统、基础系统和全球系统:北斗一号系统于2000年底建成，为中国提供服务；北斗二号系统于2012年底建成，为亚太地区提供服务；北斗全球系统将于2020年前后建成，为全球提供服务。

中国散裂中子源开始运行

经过6年半的建设，8月，国家重大科技基础设施中国散裂中子源项目在广东东莞通过国家验收，正式投入运营。其综合性能已进入国际同类设备先进行列，并将正式向国内外各领域用户开放。

中国散裂中子源是由中国科学院和广东省联合建造的。建设内容包括:一台8000万电子伏负氢离子直线加速器、一台16亿电子伏快循环同步加速器、一个靶站、三台科学实验用中子散射光谱仪。

“中国散裂中子源就像一台‘超级显微镜’，是研究材料微观结构的理想探针。我们可以利用散裂中子源来研究大型金属零件的残余应力，这对提高高铁和航空空发动机零件的关键零件的性能，以及核电厂零件的使用性能非常重要。”中国散裂中子源项目总指挥、项目经理陈和生院士表示，此外，可燃冰、磁性材料的研究以及化学反应催化剂的原位研究都可以使用散裂中子源。

企鹅木乃伊“痛苦地描述”了一百年前的悲剧

无辜的企鹅是南极的象征性动物，南极是地球的一个重要极点。

现代生态学研究表明，阿德莱德企鹅在南极无冰区繁殖面临诸多困难，夏季的大雪和冰山可能造成企鹅幼雏大量死亡。

历史上有这样的事件吗？会有什么后果？中国科学技术大学极地环境研究室孙-谢教授今年9月发表的研究，将南极企鹅幼仔的木乃伊“墓地”与100年前的两次大规模天气灾害联系起来，首次揭示了气候突然异常导致企鹅幼仔大量死亡的生态灾难事件。

孙表示，该研究提出短时间尺度的灾难性气候事件可能影响企鹅生态变化，也为未来企鹅古生态研究指明了新的方向:全球气候变化背景下极端气候与生态事件的对比研究。这项研究还警告说，在全球变暖的背景下，企鹅可能会面临新的生存挑战。

国际千克原始设备即将退役

一公斤有多重？这个看似简单的问题，科学家已经探索了一百年。

11月在法国凡尔赛举行的第26届国际计量大会通过了修订国际单位制的决议。

在国际单位制中，四个基本单位由自然常数定义，质量单位千克由普朗克常数定义，电流单位安培由基本电荷定义，物质的量单位摩尔由Aphagardo常数定义，度日开尔文由玻尔兹曼常数定义，将于2019年国际测量日生效。而定义质量单位的国际公斤原创装置将于2019年5月20日正式退役。

虽然这些单位的大小不会改变——1公斤还是1公斤，但国际计量局局长马丁·米尔顿表示，国际单位制的修订是科学进步的里程碑。

“这是人类第一次彻底摆脱了基本单位制中的物理基准，把所有基本单位的定义都推到了‘量化’。”在国际计量局物理计量研究所功率平衡组工作的李博士在接受《科技日报》记者采访时表示。

虽然人们表面上看不到基本单位的量化有多大变化，但这对尖端科学技术的发展非常重要。1967年，以时间单位秒内原子跃迁为基础的“原子秒”取代了“天文秒”，标志着国际单位制从物理时代开始走向量子时代。自从50年前原子时间诞生以来，测量时间和频率的精度已经跃升了1000万倍，成为目前最精确的物理量。正是基于时间定义的量化变革实现了卫星导航定位，其精度达到厘米级，使得卫星导航定位产品和服务市场价值数万亿美元。

测量万有引力常数最精确g值

2018年，科学家们找到了几个世纪以来一直追求的科学问题的新答案，比如引力常数的G值。

常数g意义重大。没有G，万有引力定律就不完善，天体物理学、地球物理学、计量学等一些相关研究问题也难以解决。1687年，牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中系统地介绍了万有引力定律。但是牛顿不知道G值是多少。

几百年来，实验物理学家为使这个值更加精确付出了巨大的努力，但G值测量精度的提高却极其缓慢。

原因如下:第一，引力很弱；第二，任何有质量的物体对其他物体都有引力作用，无法屏蔽；换句话说，即使是一只鸟在实验室外偶然经过，也可能在实验数据中留下“痕迹”。

2018年8月30日，《自然》杂志发表了中国科学家罗俊及其团队测量引力常数G的最新结果。该团队使用了两种不同的测量方法来获得最佳的国际G值精度。这一结果为确定高精度引力常数的推荐值做出了实质性贡献，将有助于增强我国在基础物理领域的话语权，为我国开展空之间的引力波探测计划提供更好的基础支撑。

一万米深海探索数百场战役

带月亮九天，五洋捉鳖。今年，深海区域也在频繁移动。

在南印度洋，中国科学院深海科学与工程研究所的4500级载人潜水器“深海勇士”号于12月11日完成了第100次潜航。

世界上最深的地方，深度超过一万米，被称为地球的第四极。10月16日，我国第三次万米深渊综合科学考察圆满完成各项任务，从马里亚纳海沟返回三亚。本次科研充分验证了国内多项深海设备的稳定性和可靠性，首次获得多项国内外科研成果。

11月25日，“彩虹鱼”2018马里亚纳海沟海试科研团队乘坐科研船“沈括”启航，前往世界最深海沟马里亚纳海沟。本次海试科研航行是“彩虹鱼挑战万米深渊”项目的一部分。航行中，将在马里亚纳海沟最深处的挑战者深渊附近海域进行“彩虹鱼”万米载人潜水器超短基线系统海试、两个第二代“彩虹鱼”万米着陆器海试、一个4500米深浮标海试。同时，将完成科学样品采集和水下摄影。

载人球舱是万米载人潜水器的核心部件。12月15日，我国重大深海工程万米载人潜水器载人舱球壳焊接。潜水器建成后，可在覆盖全球最大深度的海洋中进行载人潜水和科学研究。

未来一年，无人潜航器“海龙”和“乾隆”深海装备成功海试应用，标志着我国在重大深海装备的设计制造方面取得了富有成效的发展和制造。

清华大学提出了波函数的新观点

有一个世界，崂山道士穿墙术成为可能，你脚下的大地不再坚实，甚至世界的客观现实都消失了，一切都需要用概率来解释。这就是量子力学的世界，它的理论核心之一就是用波函数来描述微观物体的量子态。

波函数理论衍生了激光、半导体、核能等高科技，深刻改变了人类的生活方式。多年来，物理学家对波函数提出了各种假设和解释，设计了各种实验加以验证，但始终没有达成共识。其中，最主流的声音认为波函数只是一种数学描述，用来计算微观物体在某处出现的概率。

2018年，清华大学龙桂鲁教授作为第一作者和通讯作者，在《中国科学:物理学、力学和天文学》上发表了一篇研究论文，提出了完全不同的、全新的观点:波函数是微观物体的真实存在，不再是简单的数学描述，打破了人们对波函数的传统认识，有助于人们深入理解量子规律，进一步探索微观世界。

中国的“人造太阳”已经达到1亿度

核聚变就像氢弹爆炸或太阳内部反应。温度太高，一般容器装不下。被寄予最大希望的核聚变实验方案叫做“托卡马克”——用超强磁场约束高温核燃料。

EAST又称东方超环，是中国研制的世界上第一台非圆截面全超导托卡马克，也是我国第四代核聚变实验装置。它的科学目标是让海水中丰富的氘氚在高温下像太阳一样发生核聚变，从而为人类提供源源不断的清洁能源，因此也被称为“人造太阳”。它的形状像一个甜甜圈，它使用超导体以最小的能量消耗获得最强的磁场。

11月，中国科学院等离子体研究所宣布——中国科学仪器中的“人造太阳”——EAST取得重大突破，加热功率超过10 MW，等离子体储能增至300 kJ，等离子体中心电子温度首次达到1亿度。获得的实验参数接近未来聚变堆稳态运行模式所需的物理条件，是未来聚变堆实验运行的关键一步。

第二届青藏科学研究公布首批成果

2017年，中国启动了第二次青藏科学考察，与第一次青藏科学考察不同的是“地理大发现”的形式。此次，科学家聚焦世界屋脊青藏高原的“变化”，围绕地球系统对青藏高原的变化和影响这一关键科学问题，揭示了其机理，提出了优化青藏高原生态安全屏障体系的科学方案。

2018年9月，青藏高原第二次综合科学考察召开第一次成果汇报会。中国科学院青藏高原研究所科研团队负责人姚坦东院士说:“60年来，我们经历了人类历史上前所未有的气候变暖。青藏高原作为世界屋脊，是全球气候变化最敏感的地区之一，其升温速率超过同期全球平均升温速率的两倍。”

青藏高原被誉为生物进化的“天然实验室”。从植物到动物，从勇敢善战的大型食肉动物到以此为生的小型啮齿动物，它们要么就地适应，要么迁徙到其他地方。中国科学院古脊椎动物与古人类研究所所长邓涛研究员认为，青藏地区的生物演化支撑着当今世界生物多样性的主体。

核燃料有了新的选择

燃料组件是核反应堆的核心，是影响核电安全性和经济性的最重要因素。

锆合金是核反应堆堆芯的关键结构材料。锆合金作为燃料组件的“骨架”和“外壳”，被称为核反应堆的“第一道安全屏障”。长期以来，我国核电站燃料组件所用的锆合金材料基本依赖进口。11月，CNNC宣布，我国自主研制的第一种满足第三代核电要求的锆合金材料——CF3核燃料组件的第一批锆合金材料N36顺利下线，并通过验收测试。

　　与通过研发新的包壳/芯块材料以提高燃料性能的技术路径不同，11月26日，我国在国际上首次完成环形燃料零功率物理实验，环形燃料主要通过改变元件结构提升整体性能。这种结构完全革新的先进燃料元件芯块被制成环状，内外表面被加装包壳管，有内外两个冷却剂通道，以增加传热面积、提高换热效率。与现有压水堆相比，若保持堆芯输出功率不变,燃料芯块和包壳的峰值温度更低，将显着提升堆芯安全性;若维持现有安全裕度不变，通过计算模拟证明，堆芯输出功率可提升20％—50％，大幅提高核电经济性。