潛艇配上“引力眼”

陳壯叔

一個蘋果從樹上掉下，牛頓因此而悟出了地球引力場。300多年后的今天，科學家正利用這一知識來開拓一項全新的技術。

目前大多探測手段，都是利用電磁波的效應，不過電磁波很難透視地下、水下，尤其是后一種情況，電磁波極易被水所吸收，表現得無能為力。

潛艇在水下航行時，它無法依靠日光、星光和來自衛星系統的定位信號。它只得利用陀螺儀和加速儀來測算自己的航向。但這有一個缺點，要利用這些儀器的數據，必須知道潛艇入潛時的最初位置；此外，確定一次方位就得計算一次，幾次算下來的積累誤差，將會影響它的定位精度。實際上，潛艇不得不時常浮出海面，以取得衛星系統的定位信號。

現在除了軍用潛艇外，還有大量的、日益增多的民用水下船艇和單人潛艇，因而尋找一種較方便的導航手段，已成了當務之急。水下航行人員希望獲得兩個“東西”：一幅完整的水下世界三維地圖；二要在此地圖上，能精確指出潛艇的所在位置。這聽起來令人望而生提，可是科學家卻胸有成竹，他們說，大自然早就為我們作好了準備，只是等你去開發!

原來地球的引力場是一個完整的三維系統。引力場的強度取決于地(或水)下的巖石密度，而且這一處到那一處是連續變化的，這就是說，每個地方都不相同。由此看來，潛艇的最佳導航手段，是一幅地球引力場圖和一種精確測最場強的儀器。

其實科學家遠在上個世紀90年代，就研制出了測量引力場的儀器，稱為扭秤，它所測量的是引力場的梯度(即引力場隨距離的變化量)。例如以A點為中心，則可測量離該點10、20、30……公尺處的、不同引力場的值。這種儀器結構簡單。它具有二檢測塊，懸掛在儀器內的不同高度上。由于引力場不論在垂直和水平方向上，都是不均勻的，故施加在這二個物塊上的引力也略有不同，從而使得懸掛系統發生偏轉。據此扭轉的角度，即可確定引力場梯度。

這種引力梯度儀原則上可置放在運動的車船上使用，但此車船須是直線運動，若有旋轉、加速等情況，儀器就會失靈。故應用上受到不小的限制；另一個不便之處，它在使用中必須經常校正，而校正一次往往需幾個小時。

大家知道，各種不同的礦藏、石油、天然氣等，都隱藏在大地之下，由于它們的質量、密度不同，故引力儀在它們面前，就如一只能透視的“引力眼”，看得一清二楚。本世紀30年代前后，這種儀器就曾廣泛使用，尤其是1924年，美國石油公司利用這種儀器，在得克薩斯州探查到大油田，扭秤因而譽滿天下。

說到這里，讀者也許會問，既然半個世紀之前，引力儀已如此風行，為何潛艇的水下導航迄今尚未解決?回答是簡單的，關鍵在于靈敏度。因為礦藏等必竟是大面積的，且無嚴格的邊界要求，而潛艇則不然，它要求每個點上都有讀數上的區分，其誤差不會超過幾毫米。

到了70年代，美、蘇科學家都認識到，引力梯度的測量，有助于慣性導航系統的改進，而后者正是空間飛行中廣泛使用的東西。這樣，提高引力儀的靈敏度，就成了科技界的一個熱點。

目前被科技界看好的，是在新西蘭工作的凡立斯基的儀器。該儀器不用鐵塊，代之以超導垂直繩，其兩端同定，并有電流通過。引力場中的任何微小變化，都會使得繩中的原子變形。這一效應能被儀器中的兩套SQULD所測出。在實際應用中，它使用方便，能一次測出二個引力梯度：且體積較小，類似一根賽跑用的接力棒。凡氏說，它的最大優點，是不須經常校正。

研究者都在爭取財力上的支持，財源主要來自石油和礦藏開發公司，他們為了尋找新的資源，每年耗資達50億美元。一種(飛)機載引力僅可能將根本上改變勘探過程，由于它能精確地、快速地繪制出大范圍內的引力梯度圖，從而揭露一系列地質特征，諸如巖層的變化，斷層以及其他具有石油、礦藏存在的地質特征：它還揭示出，所測深度(層)的物質密度，這直接與巖石的礦物組成有關，與地層的多孔性和含有液體有關。

在其他方面，這種儀器在大地測量和廣義相對論的驗證上，也很有用；它還能應用于探雷和對考古遺跡和火山活動的探查：得益最大者，也許是潛艇，當它在作近乎瞎眼的水下航行時，這種儀器為它提供了一個詳細的參考系統。海洋中的每一點，都有自己的特征值(引力梯度)，使得潛艇可借此儀器來辨認自己所在的位置，方便地找準航道，一如在海而之上。

凡氏相信，只要資金到位，他的機載引力梯度儀，能在二年內投入使用。其他研究者的情況也在改進之中。這一技術的最終成功，在我們腳下的巖石中的許多秘密，波浪下面的不可見世界，都將被最終揭開。

(責任編輯／楊劍鳴)