北京時(shí)間11月14日消息國(guó)外媒體報(bào)道，近日蘇黎世大學(xué)一支國(guó)際科學(xué)家小組聲稱可以利用原子鐘解決地球上的結(jié)構(gòu)問題，例如發(fā)現(xiàn)礦藏或者隱蔽的水資源。這支由蘇黎世大學(xué)的天體物理學(xué)家菲利普·吉特澤爾（Philippe Jetzer）和魯桑德拉·邦達(dá)勒蘇（Bondarescu Ruxandra ）帶領(lǐng)的國(guó)際小組認(rèn)為，在未來十年內(nèi)能夠?qū)⑦@些變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，科學(xué)家認(rèn)為現(xiàn)在的原子鐘的精確度已經(jīng)達(dá)到了地球物理測(cè)量所要求的程度。這種原子鐘能夠提供大地水準(zhǔn)面——也即地球真正的形態(tài)——最直接的測(cè)量數(shù)據(jù)。同時(shí)科學(xué)家還能結(jié)合原子鐘測(cè)量數(shù)據(jù)和現(xiàn)存的地球物理學(xué)方法探索地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
確定廣義相對(duì)論中的大地水準(zhǔn)面
目前只能間接的確定地球的大地水準(zhǔn)面——延伸到平均海平面的恒定引力勢(shì)表面。在大陸上，大地水準(zhǔn)面是通過追蹤在軌衛(wèi)星的高度而計(jì)算出來的。選擇合適的表面是一個(gè)非常復(fù)雜、涉及多方面的問題。通過這種方式計(jì)算出來的大地水準(zhǔn)面的空間分辨率非常低——大約只有100千米。
利用原子鐘測(cè)定地球大地水準(zhǔn)面是基于廣義相對(duì)論的概念。原子鐘與沉重天體，諸如地球，的不同距離會(huì)導(dǎo)致它的運(yùn)轉(zhuǎn)速率也不盡相同。原子鐘距離沉重的地下結(jié)構(gòu)越近，它運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間越慢——位于鐵礦石上的鐘可能比位于空洞穴的鐘轉(zhuǎn)的更慢。
“2010年超精密原子鐘已經(jīng)測(cè)量了兩個(gè)不同時(shí)鐘的時(shí)差,其中一個(gè)位于另一個(gè)上方33厘米，” 邦達(dá)勒蘇接著補(bǔ)充說道，“利用原子鐘對(duì)相當(dāng)于1厘米高度的大地基準(zhǔn)面的當(dāng)?shù)販y(cè)繪并不是個(gè)小工程，但一切都在原子鐘的能力范圍之內(nèi)。”
利用原子鐘進(jìn)行地球物理測(cè)量
如果一個(gè)原子鐘被放在某一海平面上，例如恰好為大地基準(zhǔn)面的精確高度的海平面，而第二個(gè)原子鐘放在大陸上任何位置，只要它與前者保持時(shí)間上的同步。兩個(gè)鐘之間的連接將通過光導(dǎo)纖維電纜或者通信衛(wèi)星（只要信號(hào)傳輸可靠）實(shí)現(xiàn)。第二個(gè)鐘運(yùn)轉(zhuǎn)的或快或慢完全取決于它位于大地基準(zhǔn)面之上或者之下。對(duì)大地基準(zhǔn)面的當(dāng)?shù)販y(cè)量可以結(jié)合其它地球物理學(xué)測(cè)量方法，例如測(cè)量引力場(chǎng)加速的比重計(jì)，而獲得關(guān)于地下結(jié)構(gòu)更精確的信息。
深度測(cè)繪
原則上來說，利用原子鐘進(jìn)行深度測(cè)繪是可能的，只要被研究的地下結(jié)構(gòu)足夠大，能夠明顯影響原子鐘運(yùn)轉(zhuǎn)的速率，并且這些速率的差異是在可測(cè)量范圍之內(nèi)。原子鐘測(cè)量精確到相當(dāng)于1厘米的大地水準(zhǔn)面高度的最小結(jié)構(gòu)是深埋在地下2千米的半徑為1.5千米的球體，并且球體與周圍上地殼的密度差異要在20%以上。然而，科學(xué)家預(yù)估計(jì)，在同樣的環(huán)境密度差異下，原子鐘也能夠測(cè)量到深埋在地下30千米處半徑為4千米的同等球體。
目前超精度原子鐘只能用于實(shí)驗(yàn)室，也即它不方便傳輸因此不適用于野外測(cè)量。然而，在未來幾年這將不會(huì)是大問題：一些公司和研究機(jī)構(gòu)，包括位于納沙泰爾的瑞士電力中心， 已經(jīng)致力于研發(fā)便攜式超精度原子鐘。“最早到2022年，這樣的可攜帶的超精度原子鐘將發(fā)射入太空。”這項(xiàng)名為STE-Quest的衛(wèi)星任務(wù)旨在精確的測(cè)試廣義相對(duì)論。(新華網(wǎng))