珠穆朗瑪峰和南極洲無疑是“世界之極”概念中的重要角色。在這兩個截然不同的地理奇觀之間,有一個看似簡單卻充滿科學韻味的問題:假如一個人在同一時刻站在珠穆朗瑪峰之巔和南極大陸上,得到的體重數(shù)據(jù)是否相同?
在物理學中,有一個極其常見的公式:物體受到的重力(G)=物體的質(zhì)量(m)×重力加速度(g)。以此,我們可以推出:物體的質(zhì)量(m)=物體受到的重力(G)÷重力加速度(g)。這也是體重秤工作時最主要的物理學原理。
地球重力場是地球最為基本的物理場之一,是地球內(nèi)部、地表及外部空間物質(zhì)分布與運動信息的綜合反映,因此,對地球絕對重力場進行精確測量具有重要意義。
地理位置的緯度和海拔是對重力加速度量值影響最大的兩個因素。除此之外,它還會隨時間的變化而變化,因為地球會因受到周圍天體(主要是月球、太陽)的引潮力影響而產(chǎn)生固體潮。固體潮呈周期性變化,每天隨時間的變化量最大將會影響重力加速度量值小數(shù)點后的第6位。
2019年10月~2020年4月,我有幸參加了中國第36次南極科學考察,攜帶中國計量科學研究院自主研發(fā)的NIM-3C型絕對重力儀,乘坐“雪龍”號極地科考破冰船到達中山站,建設了我國計量史上第一個計量校準點。
在中山站,我不僅搭建了工作帳篷,還在野外經(jīng)受住了11級暴風雪的考驗,獲得了連續(xù)70多天的一手極地絕對重力加速度測量數(shù)據(jù),約為9.83m/s2。
2023年5月19日~21日,“西藏高海拔地區(qū)重力加速度多站點測量研究”課題組攜帶NIM-3C型絕對重力儀,在珠穆朗瑪峰地區(qū)開展了精密測量工作。
課題組克服了高海拔、高原反應、大風等不利因素,爭分奪秒、頂風冒雪工作了三天兩晚,最終首次取得了世界最高海拔的絕對重力測量成果。該成果不僅提供了絕對重力加速度的數(shù)據(jù)修正,讓其他設備在珠穆朗瑪峰地區(qū)進行測量時可以更準確、可靠,還修正了珠穆朗瑪峰高程測量數(shù)據(jù)。
在珠穆朗瑪峰大本營,我們測得重力加速度值約為9.78m/s2。
得到數(shù)據(jù)后,我們便可以根據(jù)重力公式推導答案了。
一個人在國家重力計量基準原點使用體重秤進行稱重,結果為80千克。在體重秤沒有校準的情況下,他在珠穆朗瑪峰大本營繼續(xù)用該體重秤稱重,示數(shù)會偏小約0.2千克;若在南極中山站進行稱重,示數(shù)則會偏大約0.2千克。
不過,這不是因為他的體重本身出現(xiàn)了變化。質(zhì)量是物體的固有屬性,是不會發(fā)生變化的,只是因為使用的體重秤沒有經(jīng)過校準來修正重力加速度值,導致它的示數(shù)發(fā)生變化。若根據(jù)當?shù)氐闹亓铀俣戎颠M行修正,不論在哪里,它的示數(shù)都會是80千克。
精確測量重力加速度看似遙遠,實則與我們的生活緊密相連。工程建設靠它確保安全,航天飛行有它精準導航,就連我們玩的過山車,其設計也離不開它。一個看似天馬行空的小問題,背后蘊藏的科學原理非比尋常。
(責任編輯 / 牛一名 美術編輯 / 周游)