科學(xué)家利用環(huán)形激光器測(cè)量地球旋轉(zhuǎn)和地震

　我們腳下的地球似乎堅(jiān)不可摧，并且大部分時(shí)間都一成不變。但這僅僅是由于我們的感知能力有限產(chǎn)生的幻覺而已。在我們腳下，大塊大塊的巖石相互擠壓、推搡，構(gòu)成峽谷和山脈；或是被“五馬分尸”，形成河流和海洋。地表無時(shí)無刻不在變化和顫動(dòng)。這款環(huán)形激光器能夠測(cè)量地球旋轉(zhuǎn)率和旋轉(zhuǎn)軸的細(xì)微變化。測(cè)量相關(guān)速度和步伐有助于增加GPA導(dǎo)航的精度，甚至還可以預(yù)測(cè)由阿爾伯特·愛因斯坦預(yù)測(cè)的廣義相對(duì)論。
　鋁制艙門是地下隱藏物的唯一線索。在距離慕尼黑市20公里遠(yuǎn)的德國(guó)菲爾斯騰費(fèi)爾德布魯克縣一處安靜的修道院村落的玉米地和小麥地中間，埋藏著一座混凝土倒金字塔建筑以及鋼鐵管道、精密反應(yīng)器，它們位于約3層樓深的地底深處。今年3月，當(dāng)激光開始穿過名為“地震旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)”(ROMY)的四面體邊緣時(shí)，世界上最復(fù)雜的環(huán)形激光器由此啟動(dòng)，它能夠反映地球自身如何旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?！　　　?ldquo;這是此前從未建造過的一種結(jié)構(gòu)。”慕尼黑路德維希馬克西米利安大學(xué)地震學(xué)家Heiner Igel說，“它是一種很特別的設(shè)施。”使它獨(dú)一無二的特征包括保持激光穩(wěn)定以及檢測(cè)其波長(zhǎng)的細(xì)微變化?！　　　∵@樣做使得ROMY能夠測(cè)量地球旋轉(zhuǎn)率和旋轉(zhuǎn)軸的細(xì)微變化。測(cè)量相關(guān)速度和步伐有助于增加GPA導(dǎo)航的精度，ROMY甚至還可以預(yù)測(cè)由阿爾伯特·愛因斯坦預(yù)測(cè)的廣義相對(duì)論：旋轉(zhuǎn)行星對(duì)附近時(shí)空的推拽作用，就像一只勺子進(jìn)了一鍋蜂蜜那樣。ROMY還對(duì)伴隨地震的輕微旋轉(zhuǎn)非常敏感，這一長(zhǎng)期被忽視的運(yùn)動(dòng)含有關(guān)于地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的線索。通過展示記錄相關(guān)運(yùn)動(dòng)的數(shù)值，ROMY可以為幫助石油和天然氣勘探者乃至想要聆聽月球和火星震顫的行星科學(xué)家的微型感應(yīng)器鋪平道路?！　　　?個(gè)環(huán)　　　　根據(jù)法國(guó)物理學(xué)家Georges Sagnac在1913年證實(shí)的一種效應(yīng)，環(huán)形激光器是最精確的旋轉(zhuǎn)感應(yīng)器。他把光分成圍繞一個(gè)旋轉(zhuǎn)桌面的周邊朝著相反方向運(yùn)行的兩束光。當(dāng)他把兩束光重新結(jié)合在一起時(shí)，他看到了相互干擾的“條紋”——暗色和亮色的光帶表明兩束光波的反相位。朝著旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動(dòng)的光比相反方向運(yùn)動(dòng)的光移動(dòng)得稍遠(yuǎn)，從而導(dǎo)致相移?！　　　≡诮酉聛淼膸资?，科學(xué)家用Sagnac效應(yīng)跟蹤旋轉(zhuǎn)。該原理支持用激光器和纖維光學(xué)陀螺儀替代上世紀(jì)70年代的精巧機(jī)械陀螺——現(xiàn)在這是導(dǎo)航的標(biāo)準(zhǔn)。他們測(cè)量的旋轉(zhuǎn)像一架噴氣戰(zhàn)機(jī)的轉(zhuǎn)彎和下潛一樣又快又大。建立更大、更精確的大地測(cè)量學(xué)(測(cè)量地球自身)環(huán)形激光器的想法直到上世紀(jì)90年代才出現(xiàn)，當(dāng)時(shí)近乎完美的反光鏡剛開始出現(xiàn)?！　　　∈着愃萍す馄髦皇荂-II，這是一種擁有1米長(zhǎng)方形手臂的環(huán)形激光器，于上世紀(jì)90年代中期在新西蘭建造，位于二戰(zhàn)后一個(gè)廢棄的燃料庫中，那里的溫度比較穩(wěn)定。C-II還推動(dòng)了慕尼黑理工大學(xué)激光物理學(xué)家Ulrich Schreiber的職業(yè)發(fā)展。　　　　在獲得歐盟研究委員會(huì)的資助之后，Igel向Schreiber說出了他的最大挑戰(zhàn)：設(shè)計(jì)ROMY。ROMY臂長(zhǎng)12米，比此前的環(huán)形激光器更加精確，能夠以十億分之一的精度感應(yīng)地球的旋轉(zhuǎn)。它的設(shè)計(jì)不只是一個(gè)方形環(huán)，而是有4個(gè)三角形的環(huán)。其中3個(gè)被用來約束朝著任何方向進(jìn)行的旋轉(zhuǎn)，第4個(gè)環(huán)可以增加吞吐率。建造工作在2016年3月開始，并在6個(gè)月后竣工?！　　　〗衲?月，工程師在4個(gè)環(huán)中同時(shí)實(shí)現(xiàn)了第一束光，這表明這個(gè)幾何四面體非常精確，足以保證所有激光正常產(chǎn)生共鳴。“它看似無足輕重實(shí)則不可或缺。”Igel說，“每次當(dāng)紅色激光可見時(shí)，人們都會(huì)非常激動(dòng)地尖叫出聲。”該團(tuán)隊(duì)正在研究對(duì)這些激光進(jìn)行干涉以測(cè)量Sagnac效應(yīng)。他們將于近日在奧地利維也納召開的歐洲地球物理科學(xué)聯(lián)合會(huì)的一次會(huì)議上報(bào)告首次測(cè)量結(jié)果?！　　　?shí)時(shí)測(cè)量　　　　最終，ROMY科學(xué)家將監(jiān)測(cè)白晝時(shí)長(zhǎng)和地球軸心位置的變化。它們都不像人們想象的那樣固定不變，而是每天進(jìn)行著毫秒或厘米級(jí)的變化。太陽和月亮都在用引力拖拽著地球，同時(shí)大陸漂移、洋流變化以及冰河時(shí)代冰川退化改變周圍質(zhì)量造成的地殼反彈，都會(huì)改變地球的慣性運(yùn)動(dòng)，從而改變它的旋轉(zhuǎn)。即便是颶風(fēng)和地震也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生微小的推力?！　　　∧壳埃@些變化的最佳測(cè)量結(jié)果來自于一個(gè)叫作甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量(VLBI)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用地球上以一定距離排列的射電拋物面天線觀察類星體——遙遠(yuǎn)宇宙中不時(shí)閃爍的明亮“燈塔”。通過計(jì)算廣泛分布的拋物面天線何時(shí)會(huì)記錄到一個(gè)亮度變化，大地測(cè)量工作者能夠計(jì)算出地球的旋轉(zhuǎn)速率及軸的坐標(biāo)。但這一系統(tǒng)需要數(shù)十個(gè)天文觀測(cè)臺(tái)放棄寶貴的天文觀測(cè)時(shí)間，為了達(dá)到最佳時(shí)序比較，硬盤需要連夜從遙遠(yuǎn)的地方運(yùn)輸?shù)匠?jí)計(jì)算機(jī)中心。將觀測(cè)結(jié)果轉(zhuǎn)化為發(fā)表的測(cè)量結(jié)果也要花費(fèi)數(shù)日?！　　　OMY將設(shè)法匹敵VLBI的精度，同時(shí)將會(huì)超過它的速度。澳大利亞塔斯馬尼亞大學(xué)大地測(cè)量專家、幫助提供VLBI服務(wù)的Lucia Plank說，在理論上，ROMY能夠連續(xù)監(jiān)測(cè)地球的旋轉(zhuǎn)速率和地軸，實(shí)時(shí)更新測(cè)量結(jié)果。“ROMY的優(yōu)勢(shì)是，你可以立刻獲得觀測(cè)結(jié)果。”Plank說。不過她同時(shí)表示，VLBI技術(shù)則更加穩(wěn)定，因此不可能很快被棄之不用。　　　　實(shí)驗(yàn)漂移　　　　由于ROMY非常新，它仍被實(shí)驗(yàn)漂移困擾。該結(jié)構(gòu)位于菲爾斯騰費(fèi)爾德布魯克縣的松軟沉積物中，與其他固定在微晶玻璃(一種可抵抗溫度變化的陶瓷制品)模塊上的環(huán)形激光器不同，ROMY的鋼管會(huì)隨著晝夜溫差的變化而變化。它還會(huì)在雨水浸透地面后產(chǎn)生變化。最終，Igel希望通過在ROMY的每個(gè)鏡片后面放置小發(fā)動(dòng)機(jī)消除這些漂移，從而實(shí)時(shí)對(duì)激光環(huán)做出微調(diào)。但他很歡迎其中一種快動(dòng)“漂移”：地震?！　　　∵^去，地震學(xué)家僅僅測(cè)量了平移——沿著三個(gè)主軸的任何地面位移，但地震波還會(huì)推動(dòng)傾角移動(dòng)，其中旋轉(zhuǎn)點(diǎn)不會(huì)改變位置。傳統(tǒng)地震儀不能測(cè)量?jī)A角移動(dòng)，但理論表明，它們非常小，可以忽略不計(jì)。比如提出著名地震等級(jí)的地震學(xué)家Charles Richter在1958年寫道：“這樣的旋轉(zhuǎn)可以忽略。”　　　　“但它們畢竟存在。”Igel說。ROMY將幫助科學(xué)家探索這一新地震學(xué)前沿，展示它的確存在。在該團(tuán)隊(duì)打開首個(gè)三角環(huán)形激光器之后，它感應(yīng)到了去年10月意大利6.6級(jí)諾爾恰地震的旋轉(zhuǎn)?！　　　∽罱K，科學(xué)家希望能夠接近地震源頭。“ROMY不能移動(dòng)。”法國(guó)巴黎導(dǎo)航感應(yīng)器公司iXBlue地震旋轉(zhuǎn)感應(yīng)器負(fù)責(zé)人Frédéric Guattari說。iXBlue的解決辦法是一個(gè)由長(zhǎng)達(dá)5公里的纖維光環(huán)構(gòu)成的緊湊傳感器，那些纖維光環(huán)被纏繞為一個(gè)直徑僅有20厘米的線圈。該裝置可將光子通過線圈發(fā)射到相反方向，干擾它們，并跟蹤相移探測(cè)旋轉(zhuǎn)。Guattari已經(jīng)把該設(shè)備原型放置在斯特龍博利火山兩邊和佛羅倫薩大教堂中?！　　　〉獻(xiàn)gel和Schreiber 希望這樣的小事，他們還希望ROMY能夠孵化出后代。盡管Plank非常認(rèn)可VLBI，她同樣希望德國(guó)大型環(huán)形激光器不會(huì)單兵作戰(zhàn)。“最終目標(biāo)是在全球有更多類似的裝置。”　　　　編輯點(diǎn)評(píng)　　　　通過布置在全球各地的多個(gè)大型環(huán)形激光器，大地測(cè)量可以通過協(xié)調(diào)、校準(zhǔn)和驗(yàn)證各個(gè)激光器的測(cè)量結(jié)果，形成更加豐富、更加精確的地球旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)的結(jié)果。希望未來我們能夠通過科學(xué)儀器更精準(zhǔn)、直觀的測(cè)量地球旋轉(zhuǎn)和地震?！　　?/span>