高精度测量揭开地球重力场神秘的“面纱”

  今年岁首年月，华中科技大教引力中央胡忠坤、周敏康教授团队，攻克物资波干预、超低频隔振、设备小型化等量子重力仪的枢纽手艺，研制出我国首台交付运用的高精器量子重力仪，冲破了高精度重力仪被国中手艺垄断的场里。

  据引见，重力仪获取高精度的地里重力不雅测信息，是研究地球内部布局、稀度和应力分布特征的基础数据。重力场的精细测量在深地探测、资本勘探、灾害监测预警、地球科教等发域有遍及运用。

  地球重力场数据随着时空不休变革

  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。因为地球内部、中表及其周围的空间都具有肯定的质量，其产生的引力（重力）交织在一起就构成了重力场。

  “地球重力场是指地球内部、中表和内部各点所受地球重力做用的物理场，它反映地球各圈层物资分布取运动。”胡忠坤注释说，地球对四周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中，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，且正好取引力标的目标相反，是以，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，且取引力的夹角渐渐减小，是以，重力加速度值也越大，极点四周重力加速度约为9.83米/秒2。

  此中，物体受到地球的万有引力取其间隔地心的间隔有关，间隔越远，引力就越小，该点的重力加速度值就越小。是以，同一纬度，间隔地心越远，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革。根据万有引力定律，引力取间隔的平方成反比，因为天体运动月球和太阳相对地球的间隔是周期性变革的，是以，月球和太阳对地球上某点的引力也是周期性变革的，日变革量可达3×10-6米/秒2。

  当然，地球重力场还受到其他身分影响，如山体、湖泊、大型建筑物、气压等，这些身分影响约在10—7到10—8米/秒2量级。以气压为例，气压变革反映了地球中表四周空气稀度的变革，终究影响地球中表四周空气的质量大小。气压变大，近地空间空气质量删加，大气附加的引力将抵消局部地球引力，是以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。

  应用本子干预获得更精准的重力加速度

  “重力场的精细测量在深地探测、资本勘探、灾害监测预警、地球科教等发域有遍及运用。”胡忠坤说，高精度地测量地球中表重力场参数，有助创建重力基本网，能有用地办事准确制导等发域。

  测量重力场的仪器统称为重力仪，详细可分为相对重力仪和绝对重力仪。

  相对重力仪的工做本理为：一个具有恒定质量的物体在重力场中的重量，会随侧重力加速度g值的变革而变革，如果用一种中力或力矩（弹力、电磁力等）去平衡重力的变革，通过对物体平衡状态的不雅测，就能测量出重力的变革或者两点间的重力差值。

  绝对重力仪则是根据自由降体定律去测量重力加速度g，详细分为自由下落法和上扔法，通过测量多点位的运动时间和间隔，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做机理限制，直接应用物资的量子本质进行精细测量，测量精度也有了大幅提拔。

  光子可认为出有质量，但具有肯定的动能，其动能的大小由光的频次所决定。当激光打向本子时，光子和本子发生碰撞，本子将吸收光子而产生跃迁，跃迁的同时本子会开释同样的光子。如许通过光子取本子的不休交换能量，可使本子运动的速度大大降低，从而构成极低温条件。

  这时候用两两相对，沿三个正交标的目标的六束激光把本子引到激光的交汇处。这六束激光会使本子不管企图向何方运动，都会逢上具有适当能量的光子，并被推回到六束激光交汇的区域，如许本子会陷入其中并不休降低速度，构成光教粘胶。

  因为重力的做用，这些本子会在1秒钟内从光教粘胶中降下去。为了真正囚禁本子，就必要创建磁光阱。磁光阱由上述布列的六束激光，再加上两个磁性线圈构成。磁光阱中的磁场会对本子的特征能级起做用，就会产生一个比重力大的力，从而把本子拉回到陷阱中央，这时候本子会被激光和磁场束缚在一个很小的范围里。这时候再把高度冷却的本子向上扔出，让本子在无磁条件下取重力场相互做用。用相隔肯定时间的多束拉曼脉冲对本子进行态制备，从而构成本子干预。通过对量子态布居的测量，就可以获得重力加速度g值。