從比薩斜塔上拋下兩個(gè)不同大小的鐵球，它們以相同的速度同時(shí)落地——400多年前，意大利科學(xué)家伽利略完成這個(gè)著名的自由落體實(shí)驗(yàn)后的感受，今天的中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院重力儀研究團(tuán)隊(duì)也能體會(huì)到。不過(guò)，與伽利略不同，他們觀察的落體不是鐵球，而是原子團(tuán)。
重力儀研究團(tuán)隊(duì)是中國(guó)計(jì)量院九個(gè)計(jì)量基礎(chǔ)前沿研究團(tuán)隊(duì)之一，團(tuán)隊(duì)的工作是精準(zhǔn)地測(cè)量重力加速度，建立國(guó)家重力加速度計(jì)量基標(biāo)準(zhǔn)體系，并為此研制自主可控的精密測(cè)量?jī)x器——絕對(duì)重力儀。
重力加速度的測(cè)量分為絕對(duì)重力測(cè)量和相對(duì)重力測(cè)量。中國(guó)計(jì)量院對(duì)絕對(duì)重力儀的研究已有半個(gè)多世紀(jì)。2013年以來(lái)，他們開(kāi)展了新一代激光干涉型絕對(duì)重力儀和第一代原子干涉型絕對(duì)重力儀的集中攻關(guān)，突破十余項(xiàng)“卡脖子”技術(shù)，大幅提升了重力加速度的測(cè)量水平。這兩種絕對(duì)重力儀測(cè)量結(jié)果的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度，分別達(dá)到3.0和4.6微伽。
中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院自主研制的光學(xué)干涉絕對(duì)重力儀參加國(guó)際比對(duì)。 資料圖
伽，即重力加速度的單位，其命名正是為了紀(jì)念伽利略。與伽利略那時(shí)候相比，3.0和4.6微伽的測(cè)量不確定度，相當(dāng)于將重力加速度的測(cè)量精度提高了將近7個(gè)數(shù)量級(jí)，也就是10的7次方、上千萬(wàn)倍。
這是時(shí)代的發(fā)展，是科技的進(jìn)步。伽利略可能不會(huì)想到，幾百年后的人們可以通過(guò)原子干涉絕對(duì)重力儀，將自由下落物體從宏觀物體換成微觀原子團(tuán)，在超高真空環(huán)境下采用激光冷卻和操控技術(shù)來(lái)測(cè)量重力加速度。
不止于此。中國(guó)計(jì)量院還利用自主研制的激光干涉型和原子干涉型絕對(duì)重力儀，通過(guò)主辦國(guó)際比對(duì)和超導(dǎo)重力觀測(cè)技術(shù)，建立了不同技術(shù)體制相互旁證的國(guó)家重力加速度計(jì)量基準(zhǔn)，其測(cè)量不確定度優(yōu)于1微伽。
2017年，14個(gè)國(guó)家的32臺(tái)重力測(cè)量?jī)x器齊聚中國(guó)計(jì)量院開(kāi)展“大比武”——計(jì)量比對(duì)。中國(guó)計(jì)量院的絕對(duì)重力儀表現(xiàn)優(yōu)異，使得全球重力計(jì)量基準(zhǔn)原點(diǎn)落戶中國(guó)。所謂原點(diǎn)，即全球重力加速度測(cè)量精度最高的點(diǎn)位，也是全球重力加速度量值的源頭。此前，全球重力計(jì)量基準(zhǔn)原點(diǎn)一直在歐洲。
“這意味著中國(guó)成為全球重力加速度量值溯源地，為全世界開(kāi)展重力加速度的量值溯源和傳遞，彰顯了我國(guó)科技實(shí)力和在全球計(jì)量界的國(guó)際影響力。”中國(guó)計(jì)量院時(shí)間頻率所副所長(zhǎng)、重力儀研究團(tuán)隊(duì)帶頭人吳書(shū)清很自豪。
科研人員總是追求極致，對(duì)更高精度的追求既是一種自我突破，也是一種現(xiàn)實(shí)需要。如此高精度的重力儀，在現(xiàn)實(shí)生活中大也有用處。
受地球引力影響，物體下落時(shí)具有近乎相同的重力加速度，但在不同緯度、地層中礦藏變化等因素的影響下，重力加速度會(huì)有細(xì)微變化。這種變化是進(jìn)行輔助導(dǎo)航、資源勘探、地震預(yù)報(bào)、海洋監(jiān)測(cè)等的重要依據(jù)。
比如，利用不同位置的重力信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)重力地圖匹配，可以獲取定位和導(dǎo)航手段。根據(jù)重力場(chǎng)的異常或突變，可以勘探資源并確定是何種資源?？蒲腥藛T曾通過(guò)重力測(cè)量，探明北京明十三陵地下陵墓的形狀、位置和埋深。我們生活中用的電子秤，其準(zhǔn)確性也建立在精準(zhǔn)的重力測(cè)量基礎(chǔ)上……
作為國(guó)家的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、戰(zhàn)略數(shù)據(jù)，重力加速度的精準(zhǔn)測(cè)量從未停止。近年來(lái)，在“中國(guó)大陸科學(xué)鉆探工程”“中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)”“極地科學(xué)研究”“精密重力測(cè)量國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)”等國(guó)家重大工程項(xiàng)目中，都可以看到絕對(duì)重力儀的身影。“它們正在給地球更加精準(zhǔn)地‘做CT’，讓我們愈發(fā)了解人類的家園?！敝袊?guó)計(jì)量院重力儀研究團(tuán)隊(duì)如此形容。
（作者：陳海波）
