今年年初，華中科技大學(xué)引力中心胡忠坤、周敏康教授團(tuán)隊(duì)，攻克物質(zhì)波干涉、超低頻隔振、裝備小型化等量子重力儀的關(guān)鍵技術(shù)，研制出我國首臺(tái)交付使用的高精度量子重力儀，打破了高精度重力儀被國外技術(shù)壟斷的局面。

據(jù)介紹，重力儀獲取高精度的地面重力觀測信息，是研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)、密度和應(yīng)力分布特征的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。重力場的精密測量在深地探測、資源勘探、災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警、地球科學(xué)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。

地球重力場數(shù)據(jù)隨著時(shí)空不斷變化

地球重力是由地球?qū)ξ矬w的吸引力和地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性離心力合成的。由于地球內(nèi)部、表面及其周圍的空間都具有一定的質(zhì)量，其產(chǎn)生的引力(重力)交織在一起就形成了重力場。

“地球重力場是指地球內(nèi)部、表面和外部各點(diǎn)所受地球重力作用的物理場，它反映地球各圈層物質(zhì)分布與運(yùn)動(dòng)。”胡忠坤解釋說，地球?qū)Ω浇矬w產(chǎn)生的引力指向地心，而地球自轉(zhuǎn)導(dǎo)致地球上物體獲得的離心力垂直地軸向外，引力和離心力的合力讓地球上物體獲得了重力加速度。

在赤道位置的物體獲得的離心力最大，且恰好與引力方向相反，因此，赤道位置的重力加速度值最小，約為9.78米/秒2;越靠近極點(diǎn)，離心力越小，且與引力的夾角逐漸減小，因此，重力加速度值也越大，極點(diǎn)附近重力加速度約為9.83米/秒2。

此外，物體受到地球的萬有引力與其距離地心的距離有關(guān)，距離越遠(yuǎn)，引力就越小，該點(diǎn)的重力加速度值就越小。因此，同一緯度，距離地心越遠(yuǎn)，即海拔越高，重力加速度值越小，如海拔每升高1米重力加速度減小約3×10-6米/秒2。

再者，地球重力場還隨時(shí)間變化。根據(jù)萬有引力定律，引力與距離的平方成反比，由于天體運(yùn)動(dòng)月球和太陽相對于地球的距離是周期性變化的，因此，月球和太陽對地球上某點(diǎn)的引力也是周期性變化的，日變化量可達(dá)3×10-6米/秒2。

當(dāng)然，地球重力場還受到其他因素影響，如山體、湖泊、大型建筑物、氣壓等，這些因素影響約在10—7到10—8米/秒2量級。以氣壓為例，氣壓變化反映了地球表面附近空氣密度的變化，最終影響地球表面附近空氣的質(zhì)量大小。氣壓變大，近地空間空氣質(zhì)量增加，大氣附加的引力將抵消部分地球引力，因此導(dǎo)致地表測得的重力加速度值變小，反之，氣壓變小就會(huì)導(dǎo)致重力加速度值變大。

利用原子干涉得到更精準(zhǔn)的重力加速度

“重力場的精密測量在深地探測、資源勘探、災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警、地球科學(xué)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。”胡忠坤說，高精度地測量地球表面重力場參數(shù)，有助建立重力基本網(wǎng)，能有效地服務(wù)精確制導(dǎo)等領(lǐng)域。

測量重力場的儀器統(tǒng)稱為重力儀，具體可分為相對重力儀和絕對重力儀。

相對重力儀的工作原理為：一個(gè)具有恒定質(zhì)量的物體在重力場中的重量，會(huì)隨著重力加速度g值的變化而變化，如果用一種外力或力矩(彈力、電磁力等)來平衡重力的變化，通過對物體平衡狀態(tài)的觀測，就能測量出重力的變化或者兩點(diǎn)間的重力差值。

絕對重力儀則是根據(jù)自由落體定律來測量重力加速度g，具體分為自由下落法和上拋法，通過測量多點(diǎn)位的運(yùn)動(dòng)時(shí)間和距離，通過牛頓第二定律，用最小二乘法擬合出物體所受到的重力加速度g值。

量子重力儀是一種典型的絕對重力儀，它擺脫了傳統(tǒng)光電儀器的工作機(jī)理限制，直接利用物質(zhì)的量子本質(zhì)進(jìn)行精密測量，測量精度也有了大幅提升。

光子可認(rèn)為沒有質(zhì)量，但具有一定的動(dòng)能，其動(dòng)能的大小由光的頻率所決定。當(dāng)激光打向原子時(shí)，光子和原子發(fā)生碰撞，原子將吸收光子而產(chǎn)生躍遷，躍遷的同時(shí)原子會(huì)釋放同樣的光子。這樣通過光子與原子的不斷交換能量，可使原子運(yùn)動(dòng)的速度大大降低，從而形成極低溫條件。

這時(shí)用兩兩相對，沿三個(gè)正交方向的六束激光把原子引到激光的交匯處。這六束激光會(huì)使原子不管企圖向何方運(yùn)動(dòng)，都會(huì)遇上具有恰當(dāng)能量的光子，并被推回到六束激光交匯的區(qū)域，這樣原子會(huì)陷入其中并不斷降低速度，形成光學(xué)粘膠。

由于重力的作用，這些原子會(huì)在1秒鐘內(nèi)從光學(xué)粘膠中落下來。為了真正囚禁原子，就需要建立磁光阱。磁光阱由上述排列的六束激光，再加上兩個(gè)磁性線圈構(gòu)成。磁光阱中的磁場會(huì)對原子的特征能級起作用，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)比重力大的力，從而把原子拉回到陷阱中心，這時(shí)原子會(huì)被激光和磁場約束在一個(gè)很小的范圍里。這時(shí)再把高度冷卻的原子向上拋出，讓原子在無磁條件下與重力場相互作用。用相隔一定時(shí)間的多束拉曼脈沖對原子進(jìn)行態(tài)制備，從而形成原子干涉。通過對量子態(tài)布居的測量，就可以得到重力加速度g值。(記者 劉志偉 通訊員 王瀟瀟)

關(guān)鍵詞： 高精度量子重力儀