国之重器|绝对重力仪:给地球精准“做CT”
2022-08-06 13:12:55

从比萨斜塔上抛下两个不同大小的铁球,它们以相同的速度同时落地——400多年前,意大利科学家伽利略完成这个著名的自由落体实验后的感受,今天的中国计量科学研究院重力仪研究团队也能体会到。不过,与伽利略不同,他们观察的落体不是铁球,而是原子团。

重力仪研究团队是中国计量院九个计量基础前沿研究团队之一,团队的工作是精准地测量重力加速度,建立国家重力加速度计量基标准体系,并为此研制自主可控的精密测量仪器——绝对重力仪。

中国计量科学研究院自主研制的光学干涉绝对重力仪参加国际比对。 资料图

重力加速度的测量分为绝对重力测量和相对重力测量。中国计量院对绝对重力仪的研究已有半个多世纪。2013年以来,他们开展了新一代激光干涉型绝对重力仪和第一代原子干涉型绝对重力仪的集中攻关,突破十余项“卡脖子”技术,大幅提升了重力加速度的测量水平。这两种绝对重力仪测量结果的合成标准不确定度,分别达到3.0和4.6微伽。

伽,即重力加速度的单位,其命名正是为了纪念伽利略。与伽利略那时候相比,3.0和4.6微伽的测量不确定度,相当于将重力加速度的测量精度提高了将近7个数量级,也就是10的7次方、上千万倍。

这是时代的发展,是科技的进步。伽利略可能不会想到,几百年后的人们可以通过原子干涉绝对重力仪,将自由下落物体从宏观物体换成微观原子团,在超高真空环境下采用激光冷却和操控技术来测量重力加速度。

不止于此。中国计量院还利用自主研制的激光干涉型和原子干涉型绝对重力仪,通过主办国际比对和超导重力观测技术,建立了不同技术体制相互旁证的国家重力加速度计量基准,其测量不确定度优于1微伽。

2017年,14个国家的32台重力测量仪器齐聚中国计量院开展“大比武”——计量比对。中国计量院的绝对重力仪表现优异,使得全球重力计量基准原点落户中国。所谓原点,即全球重力加速度测量精度最高的点位,也是全球重力加速度量值的源头。此前,全球重力计量基准原点一直在欧洲。

“这意味着中国成为全球重力加速度量值溯源地,为全世界开展重力加速度的量值溯源和传递,彰显了我国科技实力和在全球计量界的国际影响力。”中国计量院时间频率所副所长、重力仪研究团队带头人吴书清很自豪。

科研人员总是追求极致,对更高精度的追求既是一种自我突破,也是一种现实需要。如此高精度的重力仪,在现实生活中大也有用处。

受地球引力影响,物体下落时具有近乎相同的重力加速度,但在不同纬度、地层中矿藏变化等因素的影响下,重力加速度会有细微变化。这种变化是进行辅助导航、资源勘探、地震预报、海洋监测等的重要依据。

比如,利用不同位置的重力信号与标准重力地图匹配,可以获取定位和导航手段。根据重力场的异常或突变,可以勘探资源并确定是何种资源。科研人员曾通过重力测量,探明北京明十三陵地下陵墓的形状、位置和埋深。我们生活中用的电子秤,其准确性也建立在精准的重力测量基础上……

作为国家的基础数据、战略数据,重力加速度的精准测量从未停止。近年来,在“中国大陆科学钻探工程”“中国大陆构造环境监测网”“极地科学研究”“精密重力测量国家重大科技基础设施建设”等国家重大工程项目中,都可以看到绝对重力仪的身影。“它们正在给地球更加精准地‘做CT’,让我们愈发了解人类的家园。”中国计量院重力仪研究团队如此形容。

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