在这四种基本力中,引力是最常见的一种——看似不变、无处不在,甚至可能有点无聊。我们第一次接触重力是在扔掉第一个玩具的时候,后来我们从过山车的刺激和膝盖上的痂体会到了重力。随着时间的流逝,它让我们的脚留在地板上,让我们的屁股留在桌子上。

但引力的动态性远远超过日常互动所显示的温和程度。在地球上,它的引力在32.09到32.25英尺每秒的平方之间变化。科学家们发现,在这些微小的波动中,有大量关于我们星球结构的信息——只要他们能测量到信号。现在他们正在利用量子力学的规则,开发有史以来最精确的重力传感器。

在马里兰州NASA戈达德太空飞行中心工作的物理学家巴巴克·赛义夫(Babak Saif)发明了一种利用原子来感知重力的仪器。由于物体的万有引力与它的质量直接相关,所以这个装置本质上是给附近的物质称重。赛义夫说,这个仪器非常灵敏,当他们在测试它的时候,科学家们在午餐休息之前和之后得到了不同的重力测量结果。“它在检测我们胃里的食物,”他说。

美国宇航局与海湾地区的AOSense公司合作开发的量子传感器依赖于大约1亿个铯原子。该装置将圆柱体内的原子发射出去,并计算它们下落的速度。根据量子力学的规定,原子的行为既像粒子又像波。想象它们像水波一样在柱子上晃动;当原子波沿圆柱上下波动时,它与自身重叠,形成波峰和波谷的干涉图样。这种模式的变化取决于原子的涨落速度,并能揭示重力的微小波动。

美国宇航局戈达德地球物理学家斯科特·卢瑟克说,研究人员想要将这种机器的一个版本发射到太空,以绘制地球重力场图。特别是,你可以用重力来监测冰川的质量,探测含水层的变化,甚至观察水和空气在海啸中的运动。

这种重力传感器将取代目前环绕地球运行的一对名为GRACE-FO的卫星。Luthcke说,经过一个月的测量,量子传感器可以探测到夏威夷大岛面积的海平面变化1.5厘米。与目前的卫星对相比,它能以4倍的空间分辨率精确地绘制出地球引力的10倍。它的高精度来自于一种设计,这种设计将原子与除重力之外的所有力隔离,部分方法是将粒子保持在接近绝对零度的真空中。

其他研究人员希望在更接近地球表面的项目中使用类似的传感器。在英国伯明翰大学,研究人员已经建立了一个重力传感器原型,同样基于原子干涉测量,用于规划基础设施项目。

例如,在土木工程师开始施工之前,他们需要检查他们的图纸是否与地下污水管道、建筑地下室或隐藏的矿井有冲突。伯明翰大学土木工程师Nicole Metje说,重力传感器可以探测到地下10到50英尺的地下结构,而不需要钻昂贵的钻孔。

虽然商用重力传感器已经存在,但土木工程师并没有广泛使用它们,因为测量需要很长时间,而且仪器经常需要重新校准。Metje说,量子传感器不应该有这些问题。