ROMY 圖片來(lái)源：LMU

鋁制艙門(mén)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(kāi)始穿過(guò)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)雜的喚醒激光器由此啟動(dòng)，它能夠反映地球自身如何旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

“這是此前從未建造過(guò)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(shuō)，“它是一種很特別的設(shè)施。”使它獨(dú)一無(wú)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。

這樣做使得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(ài)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(guò)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(tīng)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。

4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。

在接下來(lái)的幾十年，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(kāi)始出現(xiàn)。

首批類似激光器之一是C-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(kù)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(shuō)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(lái)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(kāi)始，并在6個(gè)月后竣工。

今年3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(wú)足輕重實(shí)則不可或缺。”Igel說(shuō)，“每次當(dāng)紅色激光可見(jiàn)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(kāi)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。

實(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(yáng)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。

目前，這些變化的最佳測(cè)量結(jié)果來(lái)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(guò)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(pán)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。

ROMY將設(shè)法匹敵VLBI的精度，同時(shí)將會(huì)超過(guò)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(shuō)，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(shuō)。不過(guò)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(guò)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。

過(guò)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(xiě)道：“這樣的旋轉(zhuǎn)可以忽略。”

“但它們畢竟存在。”Igel說(shuō)。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(kāi)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)。

最終，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(shuō)。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(guò)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。

但I(xiàn)gel和Schreiber 希望這樣的小事，他們還希望ROMY能夠孵化出后代。通過(guò)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(guò)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。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。”