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对重力精确测量:微型重力仪的突破

科学探索万象经验2024-03-26

在物理学领域,重力一直是我们研究的焦点。从理解基本物理定律到预测自然灾害,精确测量重力是不可或缺的。测量这种无处不在的力需要使用重力仪。然而,传统重力仪通常体积庞大,需要固定在专门的基座上才能进行测量,这使得它们难以在需要移动的环境中使用。

要想让重力仪更小化,主要有两个障碍。首先,使用室温器件的重力仪虽然表现出完美的精度,但器件使用的一般是由表现出老化效应的材料制成,这也就意味着重力仪会随着事件的推移而失去准确性。其次,使用超导器件可以实现更高的稳定性,但要保持低温需要耗费大量的能量。

那么,有没有可能设计出这样的一种重力仪:跟超导悬浮一样的效果,但是不要求低温而只是室温,并且不使用表现老化效应的材料?最近发表在《物理评论快报》上的一项研究提出了一个突破性的进展:一种利用抗磁悬浮微振子的微型室温重力仪,能够以极高的精度检测地球潮汐。

该设备由两个磁铁组成:一个大型的固定磁铁以及一个位于其下方几厘米的小型215毫克试验磁铁。试验磁铁的上下两侧被磁场排斥的石墨板所包围。固定磁铁产生的向上力与试验磁铁的重量相平衡,使其能够悬浮。试验磁铁与两块石墨板之间的微弱排斥力确保了磁铁在垂直方向上的稳定振动。通过调整两石墨板间的距离,研究团队将振动频率降至约1赫兹,实现了更高的测量灵敏度(频率越低,测量越灵敏)。

任何重力强度的变化都会影响试验磁铁的平衡位置。为了探测这种变化,一根连接至试验磁铁的细铜线被垂直悬挂,其末端部分阻挡了一束射向光电探测器的激光。重力的细微变动会使磁铁及铜线上升或下降,进而改变射向光电探测器的光线量,从而影响探测器的输出电压。

该新型重力仪拥有15μGal/√Hz的加速度灵敏度和低至61μGal/天的漂移,这表明其具有出色的时间稳定性。为了测试该装置,研究人员用它来测量由太阳和月球的表观运动引起的重力的微小变化,这些变化与导致潮汐的变化相同。在真空室中设置设备后,他们等待了数周,直到设备内部的条件稳定下来,然后进行连续测量五天。

测量数据与理论预测的相关系数达到 0.97,证明了该仪器的卓越精度。这种准确性对于地下密度勘测和预测自然灾害等应用至关重要,即使是微小的差异也可能导致截然不同的结果。

这项技术的潜力是巨大的。随着一些适度的改进,研究人员设想将这种重力测量发展成适合移动平台(如无人机)的芯片尺寸设备。这种便携性可能会彻底改变我们进行重力相关测量的方式,使其在各种环境中都易于访问,而无需大型设备。