假如你到了月球上，你用力一跃能跳2.7米；
假如你到了火星上，你用力一跃能跳1.2米；
假如你到了金星上，你用力一跃能跳0.6米；
那么在地球上跳呢？和在金星上差不多，只要你不是跳高运动员，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跃的高度？相信大家能秒答：重力。正是你在各个星球受到的重力不同，导致了你能跳跃的高度不同。
01
什么是重力？
什么是重力？我们初中都学过，重力等于质量乘以重力加速度。在地球上，重力加速度≈9.80 m/s²。而当你来到高中，新的概念来了，那便是万有引力。重力是万有引力的一个分力，另一个分力是你随地球自转时的向心力，这也是你觉得血肉苦弱，想要机械飞升的原因，之一。
我们在课堂上计算重力时，会将地球看做均匀的球体，不管你是在阿勒泰看极光，还是在南非好望角看斑嘴环企鹅，你所受的重力看起来是一样的。
▲在南非好望角看斑嘴环企鹅的小墨喵
但事实真的这样吗？这是NASA 使用两颗卫星测量地球重力的变化，测量结果显示，地球并不是个均匀的球体。蓝色地区重力较小，红色地区重力较大。也就是说，在你的质量不变的情况下，你站在蓝色区域时的重力会比红色区域小。
▲图片来源: NASA/University of Texas Center for Space Research
那么，我们应该如何测量重力？重力卫星有全天候、高精度、大范围的观测优势，可获取全球均匀覆盖的地球重力场信号，可以在大尺度上定量揭示全球重力变化。利用卫星本身为重力传感器或卫星所携带的重力传感器，观测由地球重力场引起的卫星轨道摄动或者直接测量地球重力场有关参量，然后再以这些数据资料来反演地球重力场。
但是，它的精度仍然不能满足某些领域的应用，比如地震灾害的风险评估要求所提供的重力场空间分辨率达到十数公里甚至几公里，而目前重力卫星所提供的重力场空间分辨率在百公里量级。
有没有别的方法来更加精准地测量重力？答案当然是有！科学家以你想象不到的方式找到了全新的测量方法。
02
量子重力仪是如何工作的？
在地球上测量重力总的来说有两种方法：一种方法是绝对重力测量，利用振摆或自由落体等物理手段直接测定地面观测点的重力加速度值；另一种方法是相对重力测量，利用重力仪测定地面两点间的重力差，并与已知绝对重力点联测以推算未知点重力值，然后通过不定期进行绝对和相对重力测量，得到重力加速度随时间的改变大小，我们称之为重力时变量的获取。不管是描绘区域重力场，或是得到重力时变信息，绝对重力测量是重要且不可缺少的，
量子重力仪是如何通过绝对重力测量法来测量重力的呢？中国科大的量子团队选择了让原子进行自由落体，来测量地球重力。对于原子来说，常温时原子动量大，物质波波长小，原子波动性不明显；但是当把原子温度降低至绝对零度附近，原子的速度大大减小，原子干涉变得明显且易于调控。量子重力仪就是通过制备和操控被冻得超冷的原子，利用物质波干涉技术对重力加速度进行精密测量。
在超高真空环境下释放超冷原子，原子会在重力场作用下作自由落体运动。原子下落过程中，每隔相同时间T朝自由落体的原子打三束相向传播、并且和重力方向重合的激光。这三束激光叫拉曼光，它们依次跟自由落体的原子产生相互作用，实现原子分束、反射和合束。自由落体的原子一开始时是全同的，受拉曼光影响后，原子的能量发生改变、从而形成了两条不同的下落路径，在三束拉曼光作用完毕后原子路径重新重合，从而构建成了“原子干涉仪”。
也就是说，干涉后的原子在两个能级的布居数会随相位作周期性变化，通过调制相位可以得到原子的干涉曲线。通过分析在不同演化时间T下的干涉条纹，就可以提取出精确的重力加速度值。目前，量子绝对重力仪的测量精度已经达到了微伽级（1微伽=10-8m/s2），并且科学家们正朝着更高的精度努力。
03
为什么要精准测量重力？
重力是地球上无时无刻随时间变化的固有属性：太阳和月球对地球的吸引、气压、降水、地质运动、人类活动等都会使重力加速度发生改变。如果一个重力大小原本稳定的地方，突然出现了大时间尺度上的重力异常，或者波动，就意味着这个区域的地下结构可能正在发生变化，这种变化如果发生在地震断裂带附近，可能就会发生地震：地震在发生前一般会出现地壳变形和物质迁移，地壳变形和物质迁移会引起重力场的微弱变化，且随着应力的不断积累重力会持续累积变化，最后应力累积到极限后释放。
▲地震示意图
但这种重力变化的时间跨度很长（一般在年量级），因此想要提高地震风险评估能力，我们需要对高风险地区进行长期准确的重力监测，量子绝对重力仪作为可连续运行的绝对重力仪，将为地震风险评估提供一种全新的技术手段。
通过布设基于量子绝对重力仪的高密度地球物理重力网，可以提供长时连续的重力基准和无漂移重力异常观测。通过和传统的地震观测手段相结合，提高对重点区域重力中长期变化的观测和分析能力，从而得到更高精度的时变地球物理场模型，提高对地震的风险评估能力。这就是我们量子绝对重力仪的主要应用方向之一。此外，量子绝对重力仪在国防军事、国土测绘和资源普查等方面也具有较广的应用前景。
中国科大量子重力仪团队于2015年开始量子重力仪的研发，至今已研制完成五代小型化可搬运量子重力仪样机，关键指标已处于国内外同原理重力仪的领先水平，并在仪器研制的基础上开展有绝对重力连续观测、流动绝对重力勘测等外场演示验证。
▲冷原子重力仪研发历程
参考资料
[1]李树鹏, 胡敏章, 祝意青, 朱成林, 崔华伟, 陆汉鹏, 张刚, 王锋吉. 2024. 不同类型地震震级与重力变化异常的统计特征及其机理分析. 地球物理学报, 67(8): 3032-3059, DOI: 10.6038/cjg2024S0024.
[2]许厚泽,陆洋,钟敏,等.卫星重力测量及其在地球物理环境变化监测中的应用[J].中国科学：地球科学, 2012, 42(6): 11. DOI:10.1007/s11783-011-0280-z.
[3] Peters A, Chung K Y, Chu S.High-precision gravity measurements using atom interferometry[J]. Metrologia, 2001(1):38.
[4]吴彬, 王肖隆, 王河林, 等. 冷原子干涉型重力仪的发展现状与趋势[J]. 导航与控制, 2015 (2): 2-9.
[5]Li C Y, et al.Continuous gravity measurement with a portable atom gravimeter[J]. Physical Review A, 2023, 108(3): 7. DOI: 10.1103/PhysRevA.108.032811.
[6]Li C Y, et al.Joint gravity survey using an absolute atom gravimeter and relative gravimeters[J]. arX
