“重力场是人类生活的基本物理场，想建反重力场几乎不可能”
科技日报记者 刘志伟 通讯员 王潇潇
今年1月3日，华中科技大学引力中心传出一个好消息，该中心胡忠坤、周敏康教授团队历经15年研究，攻克物质波干涉、超低频隔振、装备小型化等量子重力仪的关键技术，研制出的我国首台交付使用的高精度量子重力仪，打破了高精度重力仪被国外技术垄断的局面。该仪器的成功研制和应用，为量子重力仪走出实验室、服务国家需求、保障核心数据的安全，迈出了坚实一步。
地球重力场数据为什么很重要？地球的重力场究竟是如何产生和分布的？精确测量重力有助于哪些科学研究？带着这些问题，科技日报记者采访了华中科技大学引力中心胡忠坤教授。
地球重力场数据是国家的基础数据、战略数据
“地球重力场是如何形成如何分布的，有哪些规律？”
“地球重力场是指地球内部、表面和外部各点所受地球重力作用的物理场，它反映地球各圈层物质分布与运动。”胡忠坤说，首先，地球重力场随空间变化。地球上某一位置的重力加速度主要是由地球质量引入的万有引力与地球自转引入的惯性离心力所贡献的。
根据万有引力定律，地球质量对附近的物体存在吸引力，引力指向地心；而惯性离心力是由于地球自转导致地球上的物体获得的离心力，其指向背离地球转轴向外，引力和离心力的合力即为物体的获得重力。
在赤道上的物体获得的离心力最大，且恰好与引力方向相反，因此，赤道上物体收到的重力最小，即赤道上的重力加速度值最小，约为9.78m/s2；越往极点，离心力越小，且与引力的夹角逐渐减小，因此，重力越大，重力加速度值也越大，极点附近重力加速度约为9.83m/s2。
此外，物体受到地球的万有引力与其距离地心的距离有关，距离越远，引力就越小，该点的重力加速度值就越小。因此，同一纬度，距离地心越远，即海拔越高，重力加速度值越小，如海拔每升高1m重力加速度减小约3×10-6m/s2。
其次，地球重力场还随时间变化。地球重力场主要来源于地球引力场和自转离心力，但是仍然受到地球附近大质量天体的引力场影响，如月球和太阳。根据万有引力定律，引力与距离的平方成反比，由于天体运动月球和太阳相对于地球的距离是周期性变化的，因此，月球和太阳对地球上某点的引力也是周期性变化的，这就是导致地球重力场随时间变化的主要原因，也称为引力潮汐。潮汐的周期主要有地球自转的周日变化，而且在一个月内又有大潮和小潮的变化。
精密重力测量可对全球及局部区域地球重力场进行高分辨、多尺度的高精度测量，是获取地球质量变化基础数据的不可或缺手段，是研究固体地球、全球海平面变化和洋流、冰川融化、陆地水资源等科学问题的重要前提，对于固体地球动力学、海洋与气候变化动力学等前沿科学研究具有重要意义。例如，近些年有很多研究小组采用卫星重力测量和地面重力测量数据推断出冰川质量减少，大部分冰川存在消融的情况，这就为应对全球变暖和气候治理提供了有力的数据支撑。
精密重力测量同时在国家经济、社会发展以及国家安全中具有重要的战略价值。在资源勘探领域，通过高精度测量重力场，能获取地下资源分布的重要信息。在国防领域，重力测量可应用于重力辅助导航、导弹无依托发射、战场探测军事掩体目标等，对于国家安全的具有重大战略意义。
重力场数值大小受多种因素影响
“重力场数值的大小跟哪些因数有关？”
胡忠坤说：重力场数值大小受多种因素影响，主要影响因素有以下四点：
第一，影响最大的是纬度变化，如前所述的原因，赤道上离心力最大，且与引力方向相反，因此重力加速度最小，南北极点最大，变化范围可达到0.05m/s2；
第二，随着海拔高度变化，同一经纬度，高度每升高1m，重力加速度值减小约3×10-6 m/s2；
第三，重力场实质上主要是引力场，因此地下物质的引力会对地表的重力产生影响，局部重力场会受到地下水、油气和矿物分布变化的影响，变化大小与地下物质种类和质量有关；
第四，重力加速度还随时间变化，主要原因是日月距地球距离的变化导致其万有引力变化，日变化量可达3×10-6 m/s2。
当然，地球重力场还受到其他因素影响，如山体、湖泊、大型建筑物、气压等，这些因素影响约在10-7到10-8 m/s2量级。以气压为例，气压变化反映了地球表面附近空气密度的变化，最终影响地球表面附近空气的质量大小。气压变大，近地空间空气质量增加，大气附加的引力将抵消部分地球引力，因此导致地表测得的重力加速度值变小，反之，气压变小就会导致重力加速度值变大。
重力场数值分布并不是固定的
“重力场数值分布是固定的吗，地球自转或其他星体会不会对重力场值产生影响？”
胡忠坤说：重力场数值分布并不是固定的，地球重力场数值是随时间变化的，主要变化来源于月球和太阳相对于地球周期性运动。
地球自转会对重力场值产生影响，但是对于某一固定位置来说，该影响是基本恒定的；重力本质上是地球的引力和离心力的合力，因此，其他星体的引力也会对地球的重力场产生影响，对地球重力场变化影响最大的就是月球和太阳离地球的远近距离的改变。
根据万有引力定律，引力与物体距离平方成反比，月球是距离地球最近的大质量天体，因此，其对地球重力场的变化是最大的；其次，虽然太阳距离地球较远，但是其质量大，因此其对地球重力场的影响也不可忽略。因为月球和太阳相对于地球的距离是周期性变化的，因此地球重力场随时间变化也是周期性的，最主要的周期是周日和半周日。
目前，可以根据天体运动规律和当地重力加速度长期测量数据，给出当地的潮汐模型，从而可以预测下一时刻固体潮汐对重力加速度的影响。
精确测量重力场有助于地球科学研究
“精确测量重力场有助于哪些科学研究，如何帮助我们进一步认识地球？”
“重力场是人类生活的基本物理场，重力场的精密测量在深地探测、资源勘探、灾害监测预警、地球科学等领域有广泛应用。”胡忠坤说：重力仪就是获取高精度重力场数据的工具，例如我们研制的高精度量子重力仪，通过测量原子自由下落的重力加速度获得当地的重力加速度值。
有了高精度地面数据，就可以通过重力场反演技术获取地球内部物质密度等信息，相当于对地球做核磁共振了解内部信息。地震发生前后地下物质会有变化，从而导致地表重力加速度的变化，由此高精度重力仪的测量数据可为地震孕震、同震及震后监测提供重要数据支撑。
精确测量重力场首先有助于地球科学研究，重力场是地球基本物理场之一，精确测量重力场可以精确地反映地球近地面的物质分布和迁移等信息；其次，精确测量重力场有助于地震学研究，地震会导致近地面物质迁移和重新分布，精确测量重力场可以更加准确的了解地震造成的这些影响。
精确测量重力场还有助于重力辅助导航等军事科学研究，利用不同位置的重力值不同这一特性，可以采用特定点的重力数据实现重力辅助导航定位；此外，精确测量重力加速度还在计量科学方面有重要应用，例如质量基准。
要修建一个大范围的反重力场几乎是不可能的
“如果要在地球上修建一个反重力场，难度有多大？”
胡忠坤说：要回答能否修建反重力场，首先要明确反重力场这个概念，它在实际讨论中一般有两种含义。第一种含义常出现在科幻作品中，其意思是能够创造一种物质或者空间，使得这种物质或者空间中的物体不受万有引力影响。这种反重力场在科学上暂时还未发现，更多是一种想象。
另外一种含义是能够创造一个较大范围的、方向与地球重力方向相反、大小接近重力场的万有引力场，要创造这样大范围的引力场在实验上也是很难实现的。
根据万有引力定律，要平衡地球的引力，要么是有与地球质量相当的物体抵消地球的引力，要么就是距离非常近。要修建与地球质量相当的反重力场物质来克服地球重力场，显然是不可能的；那么将间距靠近，就要求反重力场物质的密度足够大，即使是采用地球密度十倍的物质作为反重力场物质，其直径仍然要达到地球的十分之一，这也是不可想象的事情。
胡忠坤说：仅靠引力的情况下，要修建一个大范围的反重力场几乎是不可能完成的事情。当然在一个小的局域范围，可以通过特殊设计的电磁力来达到部分平衡或补偿重力的效果。