地球的重力場是一個基本的物理場，它反映了地球的物質分布情況，也影響著地球上的物體運動、 地殼運動、大氣環流、海洋潮汐等自然現象。地球的重力場就像一個無形的大手，不斷地拉扯著地球上的物質，使其向中心聚集。這種力量造就了地球球形的形狀，也影響著地球內部結構的形成和演化，正是由于它的存在，地球才能保持著穩定的球形。否則，有可能變成這樣：

地球的重力場也被廣泛應用于對地震預報研究。根據前期重力測量數據以及地震歷史資料可知，地震孕育過程中會出現具有前兆意義的重力異常，同時其所引起的地殼變動會導致區域性重力場發生短期變化。

圖：地球低階重力場系數J2異常變化與中國大陸7級以上地震的關系

然而，早期由于重力觀測條件和儀器精度等因素的限制，使得地表大范圍、高精度重力觀測資料的收集和獲取十分困難。近年來，隨著量子技術的發展，國內外科研院所、機構開始了以冷原子絕對連續重力儀為代表的新型重力觀測設備的研制、實驗、測試等工作.在有效提高了重力觀測效率的同時，拓展了數據應用范圍。

圖：杭州地震監測中心站布設的量子絕對重力儀

絕對重力儀目前主要有 2 種類型：光學干涉型和量子干涉型。其基本原理都是通過測量真空腔體中重力敏感器件（本文稱為“落體”）在自由下落過程感受到的絕對重力加速度，兩者主要差別體現在所使用的落體。光學干涉型重力儀的落體是光學角錐，而量子重力儀則是使用微觀冷原子團作為落體（因此也被稱為冷原子重力儀），在測量過程中可快速重新制備，具有測量采樣高、無磨損等特點。量子重力儀通過制備和超控超冷原子，利用原子干涉技術來對重力加速度進行精密測量。

圖：超高真空環境下，把“囚禁”的冷原子制備到其中一個基態能級上

圖：原子被釋放后，在重力場作用下作自由落體

圖：激光和原子依次作用，實現原子的分手束、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)與實物照片(b)

隨著量子精密測量技術日趨成熟，量子重力儀在絕對重力測量領域展現出的靈敏度、采樣率和長期穩定性等方面獨特優勢使其在地震研究、火山監測、重力場測繪等領域發揮重要作用。

重力測量是研究地震科學的重要手段，越來越多的研究表明在地震前后震中附近會伴隨較大的重力場變化。量子重力儀不僅可以連續觀測震中附近絕對重力值變化，同時還能監測到遠處傳來的微弱地震波信號。浙江工業大學小型臺站式高精度量子重力儀監測到的地震波信號，通過與臺站的地震計相比可以發現兩者監測到的地震信號較為吻合，因此使用量子重力儀可以為地震監測提供多元化數據參考。

圖：浙江工業大學小型臺站式高精度量子重力儀監測到的地震波信號

此外，中國科技大學研究團隊在云南昭通的地震觀測點進行過原子重力儀在無人值守條件下連續觀測，并且于2023年在川滇地區 （四川姑咱、四川攀枝花、云南石屏）進行了初步組網觀測實驗。2021年，國內多臺國產量子重力儀參加了地震系統的中國大陸構造環境監測網絕對重力儀比測。

從牛頓力學到量子傳感，人類對重力的認知革命始終推動著地球科學的發展。如今，中國科學家們打破高精度量子重力儀國外技術壟斷的局面，在聚焦前沿的同時瞄準國家需求，研制出自主產權的量子重力儀裝備，為量子重力儀走出實驗室服務國家需求邁出了堅實的一步，也為人類探索“透明地球”打開科技之眼。

參考資料：

1.地球低階重力場系數J_2異常變化與地震活動的關系研究（作者：段鵬碩等）

2.我國絕對重力觀測應用與研究進展（作者：王嘉沛等）

3.可移動式量子重力儀及其在地球物理中的應用（作者：翁堪興等）

撰文/編輯：熊丹

一審：盛馨逸

二審：簡益波

終審：劉小龍

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