假如你到了月球上，你用力一躍能跳2.7米；
假如你到了火星上，你用力一躍能跳1.2米；
假如你到了金星上，你用力一躍能跳0.6米；
那么在地球上跳呢？和在金星上差不多，只要你不是跳高運(yùn)動(dòng)員，那你大概能跳0.5米。
▲在不同星球上努力跳高的小墨喵
那么是什么限制了你跳躍的高度？相信大家能秒答：重力。正是你在各個(gè)星球受到的重力不同，導(dǎo)致了你能跳躍的高度不同。
01
什么是重力？
什么是重力？我們初中都學(xué)過(guò)，重力等于質(zhì)量乘以重力加速度。在地球上，重力加速度≈9.80 m/s2。而當(dāng)你來(lái)到高中，新的概念來(lái)了，那便是萬(wàn)有引力。重力是萬(wàn)有引力的一個(gè)分力，另一個(gè)分力是你隨地球自轉(zhuǎn)時(shí)的向心力，這也是你覺(jué)得血肉苦弱，想要機(jī)械飛升的原因，之一。
我們?cè)谡n堂上計(jì)算重力時(shí)，會(huì)將地球看做均勻的球體，不管你是在阿勒泰看極光，還是在南非好望角看斑嘴環(huán)企鵝，你所受的重力看起來(lái)是一樣的。
▲在南非好望角看斑嘴環(huán)企鵝的小墨喵
但事實(shí)真的這樣嗎？這是NASA 使用兩顆衛(wèi)星測(cè)量地球重力的變化，測(cè)量結(jié)果顯示，地球并不是個(gè)均勻的球體。藍(lán)色地區(qū)重力較小，紅色地區(qū)重力較大。也就是說(shuō)，在你的質(zhì)量不變的情況下，你站在藍(lán)色區(qū)域時(shí)的重力會(huì)比紅色區(qū)域小。
▲圖片來(lái)源: NASA/University of Texas Center for Space Research
那么，我們應(yīng)該如何測(cè)量重力？重力衛(wèi)星有全天候、高精度、大范圍的觀測(cè)優(yōu)勢(shì)，可獲取全球均勻覆蓋的地球重力場(chǎng)信號(hào)，可以在大尺度上定量揭示全球重力變化。利用衛(wèi)星本身為重力傳感器或衛(wèi)星所攜帶的重力傳感器，觀測(cè)由地球重力場(chǎng)引起的衛(wèi)星軌道攝動(dòng)或者直接測(cè)量地球重力場(chǎng)有關(guān)參量，然后再以這些數(shù)據(jù)資料來(lái)反演地球重力場(chǎng)。
但是，它的精度仍然不能滿足某些領(lǐng)域的應(yīng)用，比如地震災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估要求所提供的重力場(chǎng)空間分辨率達(dá)到十?dāng)?shù)公里甚至幾公里，而目前重力衛(wèi)星所提供的重力場(chǎng)空間分辨率在百公里量級(jí)。
有沒(méi)有別的方法來(lái)更加精準(zhǔn)地測(cè)量重力？答案當(dāng)然是有！科學(xué)家以你想象不到的方式找到了全新的測(cè)量方法。
02
量子重力儀是如何工作的？
在地球上測(cè)量重力總的來(lái)說(shuō)有兩種方法：一種方法是絕對(duì)重力測(cè)量，利用振擺或自由落體等物理手段直接測(cè)定地面觀測(cè)點(diǎn)的重力加速度值；另一種方法是相對(duì)重力測(cè)量，利用重力儀測(cè)定地面兩點(diǎn)間的重力差，并與已知絕對(duì)重力點(diǎn)聯(lián)測(cè)以推算未知點(diǎn)重力值，然后通過(guò)不定期進(jìn)行絕對(duì)和相對(duì)重力測(cè)量，得到重力加速度隨時(shí)間的改變大小，我們稱之為重力時(shí)變量的獲取。不管是描繪區(qū)域重力場(chǎng)，或是得到重力時(shí)變信息，絕對(duì)重力測(cè)量是重要且不可缺少的，
量子重力儀是如何通過(guò)絕對(duì)重力測(cè)量法來(lái)測(cè)量重力的呢？中國(guó)科大的量子團(tuán)隊(duì)選擇了讓原子進(jìn)行自由落體，來(lái)測(cè)量地球重力。對(duì)于原子來(lái)說(shuō)，常溫時(shí)原子動(dòng)量大，物質(zhì)波波長(zhǎng)小，原子波動(dòng)性不明顯；但是當(dāng)把原子溫度降低至絕對(duì)零度附近，原子的速度大大減小，原子干涉變得明顯且易于調(diào)控。量子重力儀就是通過(guò)制備和操控被凍得超冷的原子，利用物質(zhì)波干涉技術(shù)對(duì)重力加速度進(jìn)行精密測(cè)量。
在超高真空環(huán)境下釋放超冷原子，原子會(huì)在重力場(chǎng)作用下作自由落體運(yùn)動(dòng)。原子下落過(guò)程中，每隔相同時(shí)間T朝自由落體的原子打三束相向傳播、并且和重力方向重合的激光。這三束激光叫拉曼光，它們依次跟自由落體的原子產(chǎn)生相互作用，實(shí)現(xiàn)原子分束、反射和合束。自由落體的原子一開(kāi)始時(shí)是全同的，受拉曼光影響后，原子的能量發(fā)生改變、從而形成了兩條不同的下落路徑，在三束拉曼光作用完畢后原子路徑重新重合，從而構(gòu)建成了“原子干涉儀”。
也就是說(shuō)，干涉后的原子在兩個(gè)能級(jí)的布居數(shù)會(huì)隨相位作周期性變化，通過(guò)調(diào)制相位可以得到原子的干涉曲線。通過(guò)分析在不同演化時(shí)間T下的干涉條紋，就可以提取出精確的重力加速度值。目前，量子絕對(duì)重力儀的測(cè)量精度已經(jīng)達(dá)到了微伽級(jí)（1微伽=10-8m/s2），并且科學(xué)家們正朝著更高的精度努力。
03
為什么要精準(zhǔn)測(cè)量重力？
重力是地球上無(wú)時(shí)無(wú)刻隨時(shí)間變化的固有屬性：太陽(yáng)和月球?qū)Φ厍虻奈?、氣壓、降水、地質(zhì)運(yùn)動(dòng)、人類活動(dòng)等都會(huì)使重力加速度發(fā)生改變。如果一個(gè)重力大小原本穩(wěn)定的地方，突然出現(xiàn)了大時(shí)間尺度上的重力異常，或者波動(dòng)，就意味著這個(gè)區(qū)域的地下結(jié)構(gòu)可能正在發(fā)生變化，這種變化如果發(fā)生在地震斷裂帶附近，可能就會(huì)發(fā)生地震：地震在發(fā)生前一般會(huì)出現(xiàn)地殼變形和物質(zhì)遷移，地殼變形和物質(zhì)遷移會(huì)引起重力場(chǎng)的微弱變化，且隨著應(yīng)力的不斷積累重力會(huì)持續(xù)累積變化，最后應(yīng)力累積到極限后釋放。
▲地震示意圖
但這種重力變化的時(shí)間跨度很長(zhǎng)（一般在年量級(jí)），因此想要提高地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估能力，我們需要對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)進(jìn)行長(zhǎng)期準(zhǔn)確的重力監(jiān)測(cè)，量子絕對(duì)重力儀作為可連續(xù)運(yùn)行的絕對(duì)重力儀，將為地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供一種全新的技術(shù)手段。
通過(guò)布設(shè)基于量子絕對(duì)重力儀的高密度地球物理重力網(wǎng)，可以提供長(zhǎng)時(shí)連續(xù)的重力基準(zhǔn)和無(wú)漂移重力異常觀測(cè)。通過(guò)和傳統(tǒng)的地震觀測(cè)手段相結(jié)合，提高對(duì)重點(diǎn)區(qū)域重力中長(zhǎng)期變化的觀測(cè)和分析能力，從而得到更高精度的時(shí)變地球物理場(chǎng)模型，提高對(duì)地震的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估能力。這就是我們量子絕對(duì)重力儀的主要應(yīng)用方向之一。此外，量子絕對(duì)重力儀在國(guó)防軍事、國(guó)土測(cè)繪和資源普查等方面也具有較廣的應(yīng)用前景。
中國(guó)科大量子重力儀團(tuán)隊(duì)于2015年開(kāi)始量子重力儀的研發(fā)，至今已研制完成五代小型化可搬運(yùn)量子重力儀樣機(jī)，關(guān)鍵指標(biāo)已處于國(guó)內(nèi)外同原理重力儀的領(lǐng)先水平，并在儀器研制的基礎(chǔ)上開(kāi)展有絕對(duì)重力連續(xù)觀測(cè)、流動(dòng)絕對(duì)重力勘測(cè)等外場(chǎng)演示驗(yàn)證。
▲冷原子重力儀研發(fā)歷程
參考資料
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