潜艇配上“引力眼”

陈壮叔

一个苹果从树上掉下，牛顿因此而悟出了地球引力场。300多年后的今天，科学家正利用这一知识来开拓一项全新的技术。

目前大多探测手段，都是利用电磁波的效应，不过电磁波很难透视地下、水下，尤其是后一种情况，电磁波极易被水所吸收，表现得无能为力。

潜艇在水下航行时，它无法依靠日光、星光和来自卫星系统的定位信号。它只得利用陀螺仪和加速仪来测算自己的航向。但这有一个缺点，要利用这些仪器的数据，必须知道潜艇入潜时的最初位置；此外，确定一次方位就得计算一次，几次算下来的积累误差，将会影响它的定位精度。实际上，潜艇不得不时常浮出海面，以取得卫星系统的定位信号。

现在除了军用潜艇外，还有大量的、日益增多的民用水下船艇和单人潜艇，因而寻找一种较方便的导航手段，已成了当务之急。水下航行人员希望获得两个“东西”：一幅完整的水下世界三维地图；二要在此地图上，能精确指出潜艇的所在位置。这听起来令人望而生提，可是科学家却胸有成竹，他们说，大自然早就为我们作好了准备，只是等你去开发!

原来地球的引力场是一个完整的三维系统。引力场的强度取决于地(或水)下的岩石密度，而且这一处到那一处是连续变化的，这就是说，每个地方都不相同。由此看来，潜艇的最佳导航手段，是一幅地球引力场图和一种精确测最场强的仪器。

其实科学家远在上个世纪90年代，就研制出了测量引力场的仪器，称为扭秤，它所测量的是引力场的梯度(即引力场随距离的变化量)。例如以A点为中心，则可测量离该点10、20、30……公尺处的、不同引力场的值。这种仪器结构简单。它具有二检测块，悬挂在仪器内的不同高度上。由于引力场不论在垂直和水平方向上，都是不均匀的，故施加在这二个物块上的引力也略有不同，从而使得悬挂系统发生偏转。据此扭转的角度，即可确定引力场梯度。

这种引力梯度仪原则上可置放在运动的车船上使用，但此车船须是直线运动，若有旋转、加速等情况，仪器就会失灵。故应用上受到不小的限制；另一个不便之处，它在使用中必须经常校正，而校正一次往往需几个小时。

大家知道，各种不同的矿藏、石油、天然气等，都隐藏在大地之下，由于它们的质量、密度不同，故引力仪在它们面前，就如一只能透视的“引力眼”，看得一清二楚。本世纪30年代前后，这种仪器就曾广泛使用，尤其是1924年，美国石油公司利用这种仪器，在得克萨斯州探查到大油田，扭秤因而誉满天下。

说到这里，读者也许会问，既然半个世纪之前，引力仪已如此风行，为何潜艇的水下导航迄今尚未解决?回答是简单的，关键在于灵敏度。因为矿藏等必竟是大面积的，且无严格的边界要求，而潜艇则不然，它要求每个点上都有读数上的区分，其误差不会超过几毫米。

到了70年代，美、苏科学家都认识到，引力梯度的测量，有助于惯性导航系统的改进，而后者正是空间飞行中广泛使用的东西。这样，提高引力仪的灵敏度，就成了科技界的一个热点。

目前被科技界看好的，是在新西兰工作的凡立斯基的仪器。该仪器不用铁块，代之以超导垂直绳，其两端同定，并有电流通过。引力场中的任何微小变化，都会使得绳中的原子变形。这一效应能被仪器中的两套SQULD所测出。在实际应用中，它使用方便，能一次测出二个引力梯度：且体积较小，类似一根赛跑用的接力棒。凡氏说，它的最大优点，是不须经常校正。

研究者都在争取财力上的支持，财源主要来自石油和矿藏开发公司，他们为了寻找新的资源，每年耗资达50亿美元。一种(飞)机载引力仅可能将根本上改变勘探过程，由于它能精确地、快速地绘制出大范围内的引力梯度图，从而揭露一系列地质特征，诸如岩层的变化，断层以及其他具有石油、矿藏存在的地质特征：它还揭示出，所测深度(层)的物质密度，这直接与岩石的矿物组成有关，与地层的多孔性和含有液体有关。

在其他方面，这种仪器在大地测量和广义相对论的验证上，也很有用；它还能应用于探雷和对考古遗迹和火山活动的探查：得益最大者，也许是潜艇，当它在作近乎瞎眼的水下航行时，这种仪器为它提供了一个详细的参考系统。海洋中的每一点，都有自己的特征值(引力梯度)，使得潜艇可借此仪器来辨认自己所在的位置，方便地找准航道，一如在海而之上。

凡氏相信，只要资金到位，他的机载引力梯度仪，能在二年内投入使用。其他研究者的情况也在改进之中。这一技术的最终成功，在我们脚下的岩石中的许多秘密，波浪下面的不可见世界，都将被最终揭开。

(责任编辑／杨剑鸣)