尽管人类摆脱重力束缚，前往太空的时间非常短暂，但人类从好奇重力到向往突破重力，再到飞向星辰大海的梦想可能与人类的文明史一样悠久。

重力研究测量简史

自从伟大的物理学家在苹果坠地的启发下发现了万有引力定律，通过长时间的天文观测，人们发现宇宙内所有的天体运动都遵循万有引力。（常把重力近似看作等于万有引力。但实际上重力是万有引力的一个分力。）物理学家们从此开启对万有引力的艰难探索，虽然在当时牛顿用一个巧妙的公式描述这个伟大的定律。但稍显遗憾的是，限于当时的技术能力，万有引力常数G无法精确确定。

在牛顿的《自然哲学的数学原理》一书中，他曾做出过一个设想来计算这个常数。将摆设置在一座山的附近，山的一侧存在有一块多余质量，会对摆施加引力。所以当摆运动时，其靠近山的一侧会有微小的偏角，而这个偏角是可以测量的。再由此推算地球的平均密度和质量，最终计算出引力常数。但当时的牛顿认为山对摆的影响是小到无法测量的，最终没有进行实验。

当时的牛顿没有能够把实验变为现实，这个引力常数成了未解之谜。直到1798年，利用相似的质量差异原理，卡文迪许终于利用扭秤实验测得引力常数G的数值，这个结果与现代仪器测量的结果相比只有不到1%的误差。以当时的实验条件来看，是相当了不起的成就。

重力测量原理

由于地球内部、表面及其周围的空间都具有一定的质量，其产生的引力（重力）交织在一起就形成了重力场。但需要指明的是：地球重力是由地球对物体的吸引力和地球自转产生的惯性离心力合成的。正因为地球内部质量分布不均匀，内部构造运动和自转活动等影响，地球上的重力常数并不唯一。如何精确确定地球重力场的问题摆在了科学家的面前。

测量重力场的仪器统称为重力仪，具体可分为相对重力仪和绝对重力仪。相对重力仪的工作原理为：一个具有恒定质量的物体在重力场中的重量，会随着重力加速度g值的变化而变化，如果用一种外力或力矩（弹力、电磁力等）来平衡重力的变化，通过对物体平衡状态的观测，就能测量出重力的变化或者两点间的重力差值。

绝对重力仪则是根据自由落体定律来测量重力加速度g，具体分为自由下落法和上抛法，通过测量多点位的运动时间和距离，通过牛顿第二定律，用最小二乘法拟合出物体所受到的重力加速度g值。

只不过，在重力仪的时代，人类对重力的测量只能局限在重力仪能到达的地方。即使后来把重力仪搬上航空器，航空重力测量的范围相对整个地球来说，仍旧无法满足人类的好奇心。

搬上太空的重力测量

在空间站做一个自由落体实验，这是你所想的在太空测量重力？

并不满足只获得一个小区域的重力场信息，人们开始思考在太空测量重力。在太空里“汤姆”和“杰瑞”上演追逐的猫鼠大战，轻松解决了困扰科学家的重力场观测问题。它们自2002年升空以来，在距离地面400多公里的太空中相互“追逐”，两颗卫星的距离时远时近，绕着地球不停运转。科学家们给它们的专业名称为“重力场恢复与气候实验卫星”，简称“GRACE重力卫星”。其科学原理是通过K波段微波系统精确测定出两颗星之间的距离及速率变化来反演地球重力场。

重力卫星观测可以获得全球重力场信息，这个过程如同给地球拍“CT”。微小的重力误差极可能引起“误诊”，从而导致导弹偏离预定落点几百米甚至上千米，或者影响潜艇的导航性能与战略隐蔽能力。而要说一张精确的地球重力场信息的价值，保守一点说，这只取决于你的想象力。

从科学的角度讲，地球重力场及其随时间的变化信息对于地球动力学和地球内部物理的研究具有重要意义。

而在大地测量研究中，在珠穆朗玛峰高程的测定和归算中，也需要地球重力场数据的支持。地面点的重力值不仅随纬度而变，也与地面高程的变化紧密相联，所以在推求珠峰高程中少不了地球重力场数据。在军事领域，运载火箭、远程武器的飞行弹道也主要决定于地球重力场。弹道专家对地球重力的研究格外重视，远程武器的发射首区，对地球重力的测定要求精度高、测量面积大，需要花费大量的人力和物力。

例如，地球南北极区的冰在过去比较多，这些冰的重量让地球在两极的方向较为扁平。如今温室效应引发极区冰盖融化，原本被重压的陆地反弹而上升，另外部分冰体被海水带走，地球发生大规模物质迁移。这使得地球变得更接近完美的球体，这点可由重力场的变化而得到印证。

因此，地球内部一些极为缓慢的变化的同时也会造成重力场发生变化。重力随时间的变化的监测正是GRACE的擅长之处。根据GRACE卫星的观测绘制出格陵兰和南极从2002-2020年间冰的变化。格陵兰和南极冰川的减少分别造成全球海平面每年上升0.8毫米和0.4毫米。

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