高精度测量揭开地球重力场“面纱”

今年年初，华中科技大学引力中心胡忠坤、周敏康教授团队，攻克物质波干涉、超低频隔振、装备小型化等量子重力仪的关键技术，研制出我国首台交付使用的高精度量子重力仪，打破了高精度重力仪被国外技术垄断的局面。 据介绍，重力仪获取高精度的地面重力观测信息，是研究地球内部结构、密度和应力分布特征的基础数据

今年年初，华中科技大学引力中心胡忠坤、周敏康教授团队，攻克物质波干涉、超低频隔振、装备小型化等量子重力仪的关键技术，研制出我国首台交付使用的高精度量子重力仪，打破了高精度重力仪被国外技术垄断的局面。

据介绍，重力仪获取高精度的地面重力观测信息，是研究地球内部结构、密度和应力分布特征的基础数据。重力场的精密测量在深地探测、资源勘探、灾害监测预警、地球科学等领域有广泛应用。

地球重力场数据随着时空不断变化

地球重力是由地球对物体的吸引力和地球自转产生的惯性离心力合成的。由于地球内部、表面及其周围的空间都具有一定的质量，其产生的引力（重力）交织在一起就形成了重力场。

“地球重力场是指地球内部、表面和外部各点所受地球重力作用的物理场，它反映地球各圈层物质分布与运动。”胡忠坤解释说，地球对附近物体产生的引力指向地心，而地球自转导致地球上物体获得的离心力垂直地轴向外，引力和离心力的合力让地球上物体获得了重力加速度。

在赤道位置的物体获得的离心力最大，且恰好与引力方向相反，因此，赤道位置的重力加速度值最小，约为9.78米/秒2；越靠近极点，离心力越小，且与引力的夹角逐渐减小，因此，重力加速度值也越大，极点附近重力加速度约为9.83米/秒2。

此外，物体受到地球的万有引力与其距离地心的距离有关，距离越远，引力就越小，该点的重力加速度值就越小。因此，同一纬度，距离地心越远，即海拔越高，重力加速度值越小，如海拔每升高1米重力加速度减小约3×10-6米/秒2。

再者，地球重力场还随时间变化。根据万有引力定律，引力与距离的平方成反比，由于天体运动月球和太阳相对于地球的距离是周期性变化的，因此，月球和太阳对地球上某点的引力也是周期性变化的，日变化量可达3×10-6米/秒2。

当然，地球重力场还受到其他因素影响，如山体、湖泊、大型建筑物、气压等，这些因素影响约在10—7到10—8米/秒2量级。以气压为例，气压变化反映了地球表面附近空气密度的变化，最终影响地球表面附近空气的质量大小。气压变大，近地空间空气质量增加，大气附加的引力将抵消部分地球引力，因此导致地表测得的重力加速度值变小，反之，气压变小就会导致重力加速度值变大。

利用原子干涉得到更精准的重力加速度

“重力场的精密测量在深地探测、资源勘探、灾害监测预警、地球科学等领域有广泛应用。”胡忠坤说，高精度地测量地球表面重力场参数，有助建立重力基本网，能有效地服务精确制导等领域。

测量重力场的仪器统称为重力仪，具体可分为相对重力仪和绝对重力仪。

相对重力仪的工作原理为：一个具有恒定质量的物体在重力场中的重量，会随着重力加速度g值的变化而变化，如果用一种外力或力矩（弹力、电磁力等）来平衡重力的变化，通过对物体平衡状态的观测，就能测量出重力的变化或者两点间的重力差值。

绝对重力仪则是根据自由落体定律来测量重力加速度g，具体分为自由下落法和上抛法，通过测量多点位的运动时间和距离，通过牛顿第二定律，用最小二乘法拟合出物体所受到的重力加速度g值。

量子重力仪是一种典型的绝对重力仪，它摆脱了传统光电仪器的工作机理限制，直接利用物质的量子本质进行精密测量，测量精度也有了大幅提升。

光子可认为没有质量，但具有一定的动能，其动能的大小由光的频率所决定。当激光打向原子时，光子和原子发生碰撞，原子将吸收光子而产生跃迁，跃迁的同时原子会释放同样的光子。这样通过光子与原子的不断交换能量，可使原子运动的速度大大降低，从而形成极低温条件。

这时用两两相对，沿三个正交方向的六束激光把原子引到激光的交汇处。这六束激光会使原子不管企图向何方运动，都会遇上具有恰当能量的光子，并被推回到六束激光交汇的区域，这样原子会陷入其中并不断降低速度，形成光学粘胶。

由于重力的作用，这些原子会在1秒钟内从光学粘胶中落下来。为了真正囚禁原子，就需要建立磁光阱。磁光阱由上述排列的六束激光，再加上两个磁性线圈构成。磁光阱中的磁场会对原子的特征能级起作用，就会产生一个比重力大的力，从而把原子拉回到陷阱中心，这时原子会被激光和磁场约束在一个很小的范围里。这时再把高度冷却的原子向上抛出，让原子在无磁条件下与重力场相互作用。用相隔一定时间的多束拉曼脉冲对原子进行态制备，从而形成原子干涉。通过对量子态布居的测量，就可以得到重力加速度g值。