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，只要你不是跳高運動員，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，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)你來到高中，新的概念來了，那便是萬有引力。重力是萬有引力的一個分力，另一個分力是你隨地球自轉(zhuǎn)時的向心力，這也是你覺得血肉苦弱，想要機械飛升的原因，之一。

我們在課堂上計算重力時，會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是一樣的。

▲在南非好望角看斑嘴環(huán)企鵝的小墨喵

但事實真的這樣嗎？這是NASA 使用兩顆衛(wèi)星測量地球重力的變化，測量結(jié)果顯示，地球并不是個均勻的球體。藍(lán)色地區(qū)重力較小，紅色地區(qū)重力較大。也就是說，在你的質(zhì)量不變的情況下，你站在藍(lán)色區(qū)域時的重力會比紅色區(qū)域小。

▲圖片來源: NASA/University of Texas Center for Space Research

那么，我們應(yīng)該如何測量重力？重力衛(wèi)星有全天候、高精度、大范圍的觀測優(yōu)勢，可獲取全球均勻覆蓋的地球重力場信號，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，觀測由地球重力場引起的衛(wèi)星軌道攝動或者直接測量地球重力場有關(guān)參量，然后再以這些數(shù)據(jù)資料來反演地球重力場。

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)險評估要求所提供的重力場空間分辨率達(dá)到十?dāng)?shù)公里甚至幾公里，而目前重力衛(wèi)星所提供的重力場空間分辨率在百公里量級。

有沒有別的方法來更加精準(zhǔn)地測量重力？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量方法。

02

量子重力儀是如何工作的？

在地球上測量重力總的來說有兩種方法：一種方法是絕對重力測量，利用振擺或自由落體等物理手段直接測定地面觀測點的重力加速度值；另一種方法是相對重力測量，利用重力儀測定地面兩點間的重力差，并與已知絕對重力點聯(lián)測以推算未知點重力值，然后通過不定期進(jìn)行絕對和相對重力測量，得到重力加速度隨時間的改變大小，我們稱之為重力時變量的獲取。不管是描繪區(qū)域重力場，或是得到重力時變信息，絕對重力測量是重要且不可缺少的，

量子重力儀是如何通過絕對重力測量法來測量重力的呢？中國科大的量子團隊選擇了讓原子進(jìn)行自由落體，來測量地球重力。對于原子來說，常溫時原子動量大，物質(zhì)波波長小，原子波動性不明顯；但是當(dāng)把原子溫度降低至絕對零度附近，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)對重力加速度進(jìn)行精密測量。

在超高真空環(huán)境下釋放超冷原子，原子會在重力場作用下作自由落體運動。原子下落過程中，每隔相同時間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，實現(xiàn)原子分束、反射和合束。自由落體的原子一開始時是全同的，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，干涉后的原子在兩個能級的布居數(shù)會隨相位作周期性變化，通過調(diào)制相位可以得到原子的干涉曲線。通過分析在不同演化時間T下的干涉條紋，就可以提取出精確的重力加速度值。目前，量子絕對重力儀的測量精度已經(jīng)達(dá)到了微伽級（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)測量重力？

重力是地球上無時無刻隨時間變化的固有屬性：太陽和月球?qū)Φ厍虻奈鈮骸⒔邓⒌刭|(zhì)運動、人類活動等都會使重力加速度發(fā)生改變。如果一個重力大小原本穩(wěn)定的地方，突然出現(xiàn)了大時間尺度上的重力異常，或者波動，就意味著這個區(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，可能就會發(fā)生地震：地震在發(fā)生前一般會出現(xiàn)地殼變形和物質(zhì)遷移，地殼變形和物質(zhì)遷移會引起重力場的微弱變化，且隨著應(yīng)力的不斷積累重力會持續(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間跨度很長（一般在年量級），因此想要提高地震風(fēng)險評估能力，我們需要對高風(fēng)險地區(qū)進(jìn)行長期準(zhǔn)確的重力監(jiān)測，量子絕對重力儀作為可連續(xù)運行的絕對重力儀，將為地震風(fēng)險評估提供一種全新的技術(shù)手段。

通過布設(shè)基于量子絕對重力儀的高密度地球物理重力網(wǎng)，可以提供長時連續(xù)的重力基準(zhǔn)和無漂移重力異常觀測。通過和傳統(tǒng)的地震觀測手段相結(jié)合，提高對重點區(qū)域重力中長期變化的觀測和分析能力，從而得到更高精度的時變地球物理場模型，提高對地震的風(fēng)險評估能力。這就是我們量子絕對重力儀的主要應(yīng)用方向之一。此外，量子絕對重力儀在國防軍事、國土測繪和資源普查等方面也具有較廣的應(yīng)用前景。

中國科大量子重力儀團隊于2015年開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量子重力儀樣機，關(guān)鍵指標(biāo)已處于國內(nèi)外同原理重力儀的領(lǐng)先水平，并在儀器研制的基礎(chǔ)上開展有絕對重力連續(xù)觀測、流動絕對重力勘測等外場演示驗證。

▲冷原子重力儀研發(fā)歷程

參考資料

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