地球的重力场是一个基本的物理场，它反映了地球的物质分布情况，也影响着地球上的物体运动、 地壳运动、大气环流、海洋潮汐等自然现象。地球的重力场就像一个无形的大手，不断地拉扯着地球上的物质，使其向中心聚集。这种力量造就了地球球形的形状，也影响着地球内部结构的形成和演化，正是由于它的存在，地球才能保持着稳定的球形。否则，有可能变成这样：
地球的重力场也被广泛应用于对地震预报研究。根据前期重力测量数据以及地震历史资料可知，地震孕育过程中会出现具有前兆意义的重力异常，同时其所引起的地壳变动会导致区域性重力场发生短期变化。
图：地球低阶重力场系数J2异常变化与中国大陆7级以上地震的关系
然而，早期由于重力观测条件和仪器精度等因素的限制，使得地表大范围、高精度重力观测资料的收集和获取十分困难。近年来，随着量子技术的发展，国内外科研院所、机构开始了以冷原子绝对连续重力仪为代表的新型重力观测设备的研制、实验、测试等工作.在有效提高了重力观测效率的同时，拓展了数据应用范围。
图：杭州地震监测中心站布设的量子绝对重力仪
绝对重力仪目前主要有 2 种类型：光学干涉型和量子干涉型。其基本原理都是通过测量真空腔体中重力敏感器件（本文称为“落体”）在自由下落过程感受到的绝对重力加速度，两者主要差别体现在所使用的落体。光学干涉型重力仪的落体是光学角锥，而量子重力仪则是使用微观冷原子团作为落体（因此也被称为冷原子重力仪），在测量过程中可快速重新制备，具有测量采样高、无磨损等特点。量子重力仪通过制备和超控超冷原子，利用原子干涉技术来对重力加速度进行精密测量。
图：超高真空环境下，把“囚禁”的冷原子制备到其中一个基态能级上
图：原子被释放后，在重力场作用下作自由落体
图：激光和原子依次作用，实现原子的分手束、反射和合束，原子行走的两条路径的相位差中包含重力加速度的信息。
图：自由下落式原子干涉重力仪NIM-AGRb-1的真空物理部分原理图(a)与实物照片(b)
随着量子精密测量技术日趋成熟，量子重力仪在绝对重力测量领域展现出的灵敏度、采样率和长期稳定性等方面独特优势使其在地震研究、火山监测、重力场测绘等领域发挥重要作用。
重力测量是研究地震科学的重要手段，越来越多的研究表明在地震前后震中附近会伴随较大的重力场变化。量子重力仪不仅可以连续观测震中附近绝对重力值变化，同时还能监测到远处传来的微弱地震波信号。浙江工业大学小型台站式高精度量子重力仪监测到的地震波信号，通过与台站的地震计相比可以发现两者监测到的地震信号较为吻合，因此使用量子重力仪可以为地震监测提供多元化数据参考。
图：浙江工业大学小型台站式高精度量子重力仪监测到的地震波信号
此外，中国科技大学研究团队在云南昭通的地震观测点进行过原子重力仪在无人值守条件下连续观测，并且于2023年在川滇地区 （四川姑咱、四川攀枝花、云南石屏）进行了初步组网观测实验。2021年，国内多台国产量子重力仪参加了地震系统的中国大陆构造环境监测网绝对重力仪比测。
从牛顿力学到量子传感，人类对重力的认知革命始终推动着地球科学的发展。如今，中国科学家们打破高精度量子重力仪国外技术垄断的局面，在聚焦前沿的同时瞄准国家需求，研制出自主产权的量子重力仪装备，为量子重力仪走出实验室服务国家需求迈出了坚实的一步，也为人类探索“透明地球”打开科技之眼。
参考资料：
1.地球低阶重力场系数J_2异常变化与地震活动的关系研究（作者：段鹏硕等）
2.我国绝对重力观测应用与研究进展（作者：王嘉沛等）
3.可移动式量子重力仪及其在地球物理中的应用（作者：翁堪兴等）
撰文/编辑：熊丹
一审：盛馨逸
二审：简益波
终审：刘小龙
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