地球的重力場(chǎng)是一個(gè)基本的物理場(chǎng)，它反映了地球的物質(zhì)分布情況，也影響著地球上的物體運(yùn)動(dòng)、 地殼運(yùn)動(dòng)、大氣環(huán)流、海洋潮汐等自然現(xiàn)象。地球的重力場(chǎng)就像一個(gè)無(wú)形的大手，不斷地拉扯著地球上的物質(zhì)，使其向中心聚集。這種力量造就了地球球形的形狀，也影響著地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的形成和演化，正是由于它的存在，地球才能保持著穩(wěn)定的球形。否則，有可能變成這樣：
地球的重力場(chǎng)也被廣泛應(yīng)用于對(duì)地震預(yù)報(bào)研究。根據(jù)前期重力測(cè)量數(shù)據(jù)以及地震歷史資料可知，地震孕育過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)具有前兆意義的重力異常，同時(shí)其所引起的地殼變動(dòng)會(huì)導(dǎo)致區(qū)域性重力場(chǎng)發(fā)生短期變化。
圖：地球低階重力場(chǎng)系數(shù)J2異常變化與中國(guó)大陸7級(jí)以上地震的關(guān)系
然而，早期由于重力觀測(cè)條件和儀器精度等因素的限制，使得地表大范圍、高精度重力觀測(cè)資料的收集和獲取十分困難。近年來(lái)，隨著量子技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外科研院所、機(jī)構(gòu)開始了以冷原子絕對(duì)連續(xù)重力儀為代表的新型重力觀測(cè)設(shè)備的研制、實(shí)驗(yàn)、測(cè)試等工作.在有效提高了重力觀測(cè)效率的同時(shí)，拓展了數(shù)據(jù)應(yīng)用范圍。
絕對(duì)重力儀目前主要有 2 種類型：光學(xué)干涉型和量子干涉型。其基本原理都是通過(guò)測(cè)量真空腔體中重力敏感器件（本文稱為“落體”）在自由下落過(guò)程感受到的絕對(duì)重力加速度，兩者主要差別體現(xiàn)在所使用的落體。光學(xué)干涉型重力儀的落體是光學(xué)角錐，而量子重力儀則是使用微觀冷原子團(tuán)作為落體（因此也被稱為冷原子重力儀），在測(cè)量過(guò)程中可快速重新制備，具有測(cè)量采樣高、無(wú)磨損等特點(diǎn)。量子重力儀通過(guò)制備和超控超冷原子，利用原子干涉技術(shù)來(lái)對(duì)重力加速度進(jìn)行精密測(cè)量。
圖：原子被釋放后，在重力場(chǎng)作用下作自由落體
圖：激光和原子依次作用，實(shí)現(xiàn)原子的分手束、反射和合束，原子行走的兩條路徑的相位差中包含重力加速度的信息。
圖：自由下落式原子干涉重力儀NIM-AGRb-1的真空物理部分原理圖(a)與實(shí)物照片(b)
隨著量子精密測(cè)量技術(shù)日趨成熟，量子重力儀在絕對(duì)重力測(cè)量領(lǐng)域展現(xiàn)出的靈敏度、采樣率和長(zhǎng)期穩(wěn)定性等方面獨(dú)特優(yōu)勢(shì)使其在地震研究、火山監(jiān)測(cè)、重力場(chǎng)測(cè)繪等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
重力測(cè)量是研究地震科學(xué)的重要手段，越來(lái)越多的研究表明在地震前后震中附近會(huì)伴隨較大的重力場(chǎng)變化。量子重力儀不僅可以連續(xù)觀測(cè)震中附近絕對(duì)重力值變化，同時(shí)還能監(jiān)測(cè)到遠(yuǎn)處傳來(lái)的微弱地震波信號(hào)。浙江工業(yè)大學(xué)小型臺(tái)站式高精度量子重力儀監(jiān)測(cè)到的地震波信號(hào)，通過(guò)與臺(tái)站的地震計(jì)相比可以發(fā)現(xiàn)兩者監(jiān)測(cè)到的地震信號(hào)較為吻合，因此使用量子重力儀可以為地震監(jiān)測(cè)提供多元化數(shù)據(jù)參考。
圖：浙江工業(yè)大學(xué)小型臺(tái)站式高精度量子重力儀監(jiān)測(cè)到的地震波信號(hào)
此外，中國(guó)科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在云南昭通的地震觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行過(guò)原子重力儀在無(wú)人值守條件下連續(xù)觀測(cè)，并且于2023年在川滇地區(qū) （四川姑咱、四川攀枝花、云南石屏）進(jìn)行了初步組網(wǎng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。2021年，國(guó)內(nèi)多臺(tái)國(guó)產(chǎn)量子重力儀參加了地震系統(tǒng)的中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絕對(duì)重力儀比測(cè)。
從牛頓力學(xué)到量子傳感，人類對(duì)重力的認(rèn)知革命始終推動(dòng)著地球科學(xué)的發(fā)展。如今，中國(guó)科學(xué)家們打破高精度量子重力儀國(guó)外技術(shù)壟斷的局面，在聚焦前沿的同時(shí)瞄準(zhǔn)國(guó)家需求，研制出自主產(chǎn)權(quán)的量子重力儀裝備，為量子重力儀走出實(shí)驗(yàn)室服務(wù)國(guó)家需求邁出了堅(jiān)實(shí)的一步，也為人類探索“透明地球”打開科技之眼。
參考資料：
1.地球低階重力場(chǎng)系數(shù)J_2異常變化與地震活動(dòng)的關(guān)系研究（作者：段鵬碩等）
2.我國(guó)絕對(duì)重力觀測(cè)應(yīng)用與研究進(jìn)展（作者：王嘉沛等）
3.可移動(dòng)式量子重力儀及其在地球物理中的應(yīng)用（作者：翁堪興等）
撰文/編輯：熊丹
一審：盛馨逸
二審：簡(jiǎn)益波
終審：劉小龍
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