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量子重力梯度儀走出實(shí)驗(yàn)室,為人類打開(kāi)“地下世界地圖”


  來(lái)源: 澎湃新聞 時(shí)間:2022-03-01 編輯:清風(fēng)
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近日,世界上首臺(tái)非實(shí)驗(yàn)室條件下的量子重力梯度儀問(wèn)世,這一“走出實(shí)驗(yàn)室”的重大成果為人類探索“地下世界地圖”鋪平了道路。


“為通往腳下世界開(kāi)了一扇窗”


英國(guó)量子技術(shù)傳感器與計(jì)時(shí)中心、英國(guó)伯明翰大學(xué)研究人員展示了世界上首個(gè)可以在現(xiàn)實(shí)世界中有效工作的量子重力儀,它能夠在實(shí)驗(yàn)室條件以外探測(cè)地下結(jié)構(gòu),為人類探索腳下的世界打開(kāi)了一扇窗戶。相關(guān)研究成果發(fā)表于2月23日的《自然》期刊。



“沙漏式”量子重力梯度儀



量子重力梯度儀是依據(jù)與英國(guó)國(guó)防部的合同,以及國(guó)家科研與創(chuàng)新署(UKRI)資助的重力先驅(qū)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的,也是英國(guó)國(guó)家量子技術(shù)計(jì)劃的一部分。研究團(tuán)隊(duì)利用該儀器,通過(guò)探測(cè)與管道相關(guān)的微重力變化,發(fā)現(xiàn)了一個(gè)埋在地下的隧道,該隧道承載著公用管道,在路面下約一米的位置。


能夠利用量子技術(shù)傳感器,尋找到隱藏在地下的物體,是科學(xué)界期待已久的里程碑。這對(duì)業(yè)界、國(guó)家安全,乃至人類知識(shí)的拓展都有著深遠(yuǎn)的影響。


先前的重力傳感器受到一系列環(huán)境因素的限制。一個(gè)特別的挑戰(zhàn)是振動(dòng)因素,它限制了所有應(yīng)用于測(cè)量的重力傳感器的測(cè)量時(shí)間。如果能夠解決這些限制,那么探測(cè)將變得更快速全面、成本更低。


Michael Holynski博士及其團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了現(xiàn)今的重力梯度儀。他是伯明翰大學(xué)原子干涉術(shù)負(fù)責(zé)人,也是這項(xiàng)研究的主要作者。為了成功應(yīng)用量子技術(shù),該重力梯度儀系統(tǒng)克服了振動(dòng)和其它環(huán)境挑戰(zhàn)。


該儀器“走出實(shí)驗(yàn)室”的成功探測(cè)則是由上述團(tuán)隊(duì)與工程學(xué)院教授Nicole Metje領(lǐng)導(dǎo)的土木工程師團(tuán)隊(duì)合作完成的。


這一突破將使未來(lái)的重力測(cè)量更實(shí)惠、更可靠、傳輸速度快上10倍,測(cè)量時(shí)間將從一個(gè)月減少到幾天。它有可能為重力測(cè)量開(kāi)辟一系列新的應(yīng)用領(lǐng)域,為人類深入地下提供一個(gè)新的視角。


量子技術(shù)如何解釋地下世界的圖示(上層為量子傳感器未來(lái)可探測(cè)到的圖像,中層為地面上的世界,下層為由量子傳感器揭示的“地下世界”),圖片來(lái)自論文


傳感領(lǐng)域的“愛(ài)迪生時(shí)刻”


“這是傳感領(lǐng)域的‘愛(ài)迪生時(shí)刻’,將改變社會(huì)、人類的理解和經(jīng)濟(jì)。”英國(guó)伯明翰大學(xué)冷原子物理學(xué)主任、英國(guó)量子技術(shù)傳感器與計(jì)時(shí)中心首席研究員Kai Bongs教授說(shuō)道。


這臺(tái)量子重力儀將開(kāi)啟一條商業(yè)道路,大大改善人類對(duì)地下物質(zhì)的測(cè)繪工作。這將意味著,未來(lái)人類可以減少建設(shè)鐵路和公路項(xiàng)目的成本和延誤,改進(jìn)對(duì)火山爆發(fā)等自然現(xiàn)象的預(yù)測(cè),發(fā)現(xiàn)隱藏的自然資源和建筑結(jié)構(gòu),以及在不破壞挖掘的前提下了解考古奧秘等等。


“有了這項(xiàng)突破,我們有可能在探索、建造和修復(fù)的過(guò)程中,結(jié)束(此前)糟糕的記錄和對(duì)運(yùn)氣的依賴。”Kai Bongs教授解釋,“此外,一張看不見(jiàn)的地下地圖現(xiàn)在離我們更近了一步,終于結(jié)束了這樣一種局面,即我們對(duì)南極洲的了解比我們腳下幾英尺的地方還多?!?


建筑和基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目將是量子重力儀的一個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用?!疤綔y(cè)礦井、隧道和不穩(wěn)定的地面等地表?xiàng)l件,對(duì)我們?cè)O(shè)計(jì)、建造和維護(hù)房屋、工業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施至關(guān)重要。這項(xiàng)新技術(shù)所代表的改進(jìn)能力可以改變我們測(cè)繪地面和交付這些項(xiàng)目的方式?!盧SK地球科學(xué)與工程主任George Tuckwell教授說(shuō)道。


國(guó)防部也參與了這一研究。“對(duì)于國(guó)防和安全來(lái)說(shuō),精確和快速的測(cè)量微重力變化,為探測(cè)其它(之前)無(wú)法探測(cè)到的物體,以及在挑戰(zhàn)性的環(huán)境中更安全地導(dǎo)航,開(kāi)辟了嶄新的機(jī)會(huì)?!庇?guó)國(guó)防科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(Dstl)高級(jí)首席科學(xué)家Gareth Brown說(shuō),“隨著重力傳感技術(shù)的成熟,水下導(dǎo)航和地下探測(cè)的應(yīng)用將成為可能。”


可能受益于這項(xiàng)技術(shù)的領(lǐng)域?qū)脊艑W(xué)、水文學(xué)和農(nóng)業(yè)等。該儀器可以發(fā)現(xiàn)古墓和水道,并指示農(nóng)田土壤的狀況。


量子重力儀發(fā)現(xiàn)的地下隧道,圖片來(lái)自英國(guó)伯明翰大學(xué)

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