將被送上國(guó)際空間站的“太空原子鐘組合”（圖）

可用于地球物理勘測(cè)（圖）

　　你是否想過(guò)用一臺(tái)時(shí)鐘來(lái)勘測(cè)礦物沉積、尋找地球內(nèi)部的水資源呢？據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，一個(gè)由蘇黎世大學(xué)科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研究小組證明，最新一代的原子鐘有望成為人們測(cè)量地球形狀、分析地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有力工具。超精準(zhǔn)便攜式原子鐘正面臨著這一突破，這一設(shè)想在未來(lái)10年內(nèi)就有可能成為現(xiàn)實(shí)。
　　領(lǐng)導(dǎo)該研究的蘇黎世大學(xué)天體物理學(xué)家菲利普·杰澤和拉克山德拉·邦達(dá)雷斯庫(kù)認(rèn)為，超精準(zhǔn)便攜式原子鐘的精確度已經(jīng)達(dá)到了地球物理勘測(cè)要求的水平，比如為繪制大地水準(zhǔn)面提供最直接的測(cè)量。結(jié)合原子鐘與現(xiàn)有的地球物理學(xué)測(cè)量方法，還可能探測(cè)地球內(nèi)部。

　　測(cè)量大地水準(zhǔn)面
　　大地水準(zhǔn)面是地球的實(shí)際物理形狀，也就是與靜止海洋面完全重合的重力等位面（連結(jié)重力勢(shì)能相同點(diǎn)所構(gòu)成的面，稱為重力等位面）。以前只能用間接方法測(cè)量，比如在各大洲，通過(guò)跟蹤軌道衛(wèi)星的高度來(lái)計(jì)算大地水準(zhǔn)面，而且要確定正確的表面非常復(fù)雜，有多個(gè)選擇。用這種方法算出的大地水準(zhǔn)面空間分辨率很低，大約精確到100公里。
　　而用原子鐘來(lái)確定大地水準(zhǔn)面，依據(jù)是廣義相對(duì)論的觀點(diǎn)：放在地球不同位置的時(shí)鐘由于到重心的距離不同，其運(yùn)行速率也不同，距地下重心越近，行走越慢，也就是說(shuō)，放在地球鐵核上的鐘比其上方洞穴中的鐘走得慢。“在2010年，人們已經(jīng)用超精準(zhǔn)原子鐘測(cè)出了兩個(gè)高度相差僅33厘米的時(shí)鐘之間的時(shí)差。”邦達(dá)雷斯庫(kù)解釋說(shuō)，“比如要畫(huà)出距大地水準(zhǔn)面1厘米的局部重力等位面，聽(tīng)起來(lái)不太可能，但用原子鐘技術(shù)就可以做到。”

　　地球物理勘測(cè)
　　用原子鐘還能進(jìn)行地球物理勘測(cè)。邦達(dá)雷斯庫(kù)介紹，如果把一個(gè)原子鐘放在海平面，即大地水準(zhǔn)面的某個(gè)確定緯度，而把另一個(gè)放在陸地上任意位置，其時(shí)間與上一個(gè)原子鐘同步，兩個(gè)鐘之間用光纖或通訊衛(wèi)星建立起聯(lián)系。秒表走的速度將會(huì)和原子鐘不同，快還是慢取決于秒表是放在大地水準(zhǔn)面之上還是之下，這樣就能測(cè)出局部陸地的緯度。
　　此外，如果把這種局部測(cè)繪法和其他地球物理方法，如測(cè)量重力場(chǎng)加速度的重力儀結(jié)合，還能進(jìn)一步了解地球的地下結(jié)構(gòu)。

　　繪制地球深處結(jié)構(gòu)
　　地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同產(chǎn)生了重力差異，而重力差異會(huì)對(duì)時(shí)鐘行走速率產(chǎn)生影響，因此在理論上，原子鐘所能測(cè)量的地下深度也就取決于精確檢測(cè)這種重力影響的程度。比如一臺(tái)精確到高出大地水準(zhǔn)面1厘米的原子鐘，它能探測(cè)出的最小結(jié)構(gòu)，就好比把一個(gè)半徑1.5公里的球埋在地表下2公里處，球的密度與周?chē)蜕厦娴貧は嗖?0%，原子鐘就能檢測(cè)出來(lái)。此外，研究人員還估計(jì)，如果把一個(gè)半徑4公里、密度與上述相同的球埋在地下30公里處，該原子鐘同樣能檢測(cè)出來(lái)。
　　目前，超精準(zhǔn)原子鐘只能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用，不能運(yùn)輸攜帶，還無(wú)法進(jìn)行室外作業(yè)。但研究人員指出，這種情況過(guò)幾年就會(huì)改變。包括瑞士電子與微技術(shù)中心（CSEM）等多家公司和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)在致力開(kāi)發(fā)便攜式超精準(zhǔn)原子鐘。
　　“最早到2022年，一臺(tái)這種超精準(zhǔn)便攜式原子鐘將由歐洲空間局衛(wèi)星攜帶，飛入太空。”STE-Quest衛(wèi)星任務(wù)瑞士代表飛利浦·杰澤教授說(shuō)，STE-Quest衛(wèi)星任務(wù)的目標(biāo)是精確試驗(yàn)廣義相對(duì)論。在2014年或2015年初，“太空原子鐘組合”（ACES）將被帶上國(guó)際空間站。ACES只是最初的樣機(jī)，精確度還不能達(dá)到STE-Quest衛(wèi)星任務(wù)的要求。