ROMY 圖片來源：LMU

鋁製艙門是地下隱藏物的唯一線索。在距離慕尼黑市20公裏遠的德國菲爾斯騰費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築以及鋼鐵管道、精密反應器，它們(men) 位於(yu) 約3層樓深的地底深處。今年3月，當激光開始穿過名為(wei) “地震旋轉運動”（ROMY）的四麵體(ti) 邊緣時，世界上最複雜的喚醒激光器由此啟動，它能夠反映地球自身如何旋轉運動。

“這是此前從(cong) 未建造過的一種結構。”慕尼黑路德維希馬克西米利安大學地震學家Heiner Igel說，“它是一種很特別的設施。”使它獨一無二的特征包括保持激光穩定以及檢測其波長的細微變化。

這樣做使得ROMY能夠測量地球旋轉率和旋轉軸的細微變化。測量相關(guan) 速度和步伐有助於(yu) 增加GPA導航的精度，ROMY甚至還可以預測由阿爾伯特·愛因斯坦預測的廣義(yi) 相對論：旋轉行星對附近時空的推拽作用，就像一隻勺子進了一鍋蜂蜜那樣。ROMY還對伴隨地震的輕微旋轉非常敏感，這一長期被忽視的運動含有關(guan) 於(yu) 地球內(nei) 部結構的線索。通過展示記錄相關(guan) 運動的數值，ROMY可以為(wei) 幫助石油和天然氣勘探者乃至想要聆聽月球和火星震顫的行星科學家的微型感應器鋪平道路。

4個(ge) 環

根據法國物理學家Georges Sagnac在1913年證實的一種效應，環形激光器是最精確的旋轉感應器。他把光分成圍繞一個(ge) 旋轉桌麵的周邊朝著相反方向運行的兩(liang) 束光。當他把兩(liang) 束光重新結合在一起時，他看到了相互幹擾的“條紋”——暗色和亮色的光帶表明兩(liang) 束光波的反相位。朝著旋轉方向運動的光比相反方向運動的光移動得稍遠，從(cong) 而導致相移。

在接下來的幾十年，科學家用Sagnac效應跟蹤旋轉。該原理支持用激光器和纖維光學陀螺儀(yi) 替代上世紀70年代的精巧機械陀螺——現在這是導航的標準。他們(men) 測量的旋轉像一架噴氣戰機的轉彎和下潛一樣又快又大。建立更大、更精確的大地測量學（測量地球自身）環形激光器的想法直到上世紀90年代才出現，當時近乎完美的反光鏡剛開始出現。

首批類似激光器之一是C-II，這是一種擁有1米長方形手臂的環形激光器，於(yu) 上世紀90年代中期在新西蘭(lan) 建造，位於(yu) 二戰後一個(ge) 廢棄的燃料庫中，那裏的溫度比較穩定。C-II還推動了慕尼黑理工大學激光物理學家Ulrich Schreiber的職業(ye) 發展。

在獲得歐盟研究委員會(hui) 的資助之後，Igel向Schreiber說出了他的最大挑戰：設計ROMY。ROMY臂長12米，比此前的環形激光器更加精確，能夠以十億(yi) 分之一的精度感應地球的旋轉。它的設計不隻是一個(ge) 方形環，而是有4個(ge) 三角形的環。其中3個(ge) 被用來約束朝著任何方向進行的旋轉，第4個(ge) 環可以增加吞吐率。建造工作在2016年3月開始，並在6個(ge) 月後竣工。

今年3月，工程師在4個(ge) 環中同時實現了第一束光，這表明這個(ge) 幾何四麵體(ti) 非常精確，足以保證所有激光正常產(chan) 生共鳴。“它看似無足輕重實則不可或缺。”Igel說，“每次當紅色激光可見時，人們(men) 都會(hui) 非常激動地尖叫出聲。”該團隊正在研究對這些激光進行幹涉以測量Sagnac效應。他們(men) 將於(yu) 近日在奧地利維也納召開的歐洲地球物理科學聯合會(hui) 的一次會(hui) 議上報告首次測量結果。

實時測量

最終，ROMY科學家將監測白晝時長和地球軸心位置的變化。它們(men) 都不像人們(men) 想象的那樣固定不變，而是每天進行著毫秒或厘米級的變化。太陽和月亮都在用引力拖拽著地球，同時大陸漂移、洋流變化以及冰河時代冰川退化改變周圍質量造成的地殼反彈，都會(hui) 改變地球的慣性運動，從(cong) 而改變它的旋轉。即便是颶風和地震也會(hui) 對其產(chan) 生微小的推力。

目前，這些變化的最佳測量結果來自於(yu) 一個(ge) 叫作甚長基線幹涉測量（VLBI）的係統，該係統利用地球上以一定距離排列的射電拋物麵天線觀察類星體(ti) ——遙遠宇宙中不時閃爍的明亮“燈塔”。通過計算廣泛分布的拋物麵天線何時會(hui) 記錄到一個(ge) 亮度變化，大地測量工作者能夠計算出地球的旋轉速率及軸的坐標。但這一係統需要數十個(ge) 天文觀測台放棄寶貴的天文觀測時間，為(wei) 了達到最佳時序比較，硬盤需要連夜從(cong) 遙遠的地方運輸到超級計算機中心。將觀測結果轉化為(wei) 發表的測量結果也要花費數日。

ROMY將設法匹敵VLBI的精度，同時將會(hui) 超過它的速度。澳大利亞(ya) 塔斯馬尼亞(ya) 大學大地測量專(zhuan) 家、幫助提供VLBI服務的Lucia Plank說，在理論上，ROMY能夠連續監測地球的旋轉速率和地軸，實時更新測量結果。“ROMY的優(you) 勢是，你可以立刻獲得觀測結果。”Plank說。不過她同時表示，VLBI技術則更加穩定，因此不可能很快被棄之不用。

實驗漂移

由於(yu) ROMY非常新，它仍被實驗漂移困擾。該結構位於(yu) 菲爾斯騰費爾德布魯克縣的鬆軟沉積物中，與(yu) 其他固定在微晶玻璃（一種可抵抗溫度變化的陶瓷製品）模塊上的環形激光器不同，ROMY的鋼管會(hui) 隨著晝夜溫差的變化而變化。它還會(hui) 在雨水浸透地麵後產(chan) 生變化。最終，Igel希望通過在ROMY的每個(ge) 鏡片後麵放置小發動機消除這些漂移，從(cong) 而實時對激光環做出微調。但他很歡迎其中一種快動“漂移”：地震。

過去，地震學家僅(jin) 僅(jin) 測量了平移——沿著三個(ge) 主軸的任何地麵位移，但地震波還會(hui) 推動傾(qing) 角移動，其中旋轉點不會(hui) 改變位置。傳(chuan) 統地震儀(yi) 不能測量傾(qing) 角移動，但理論表明，它們(men) 非常小，可以忽略不計。比如提出著名地震等級的地震學家Charles Richter在1958年寫(xie) 道：“這樣的旋轉可以忽略。”

“但它們(men) 畢竟存在。”Igel說。ROMY將幫助科學家探索這一新地震學前沿，展示它的確存在。在該團隊打開首個(ge) 三角環形激光器之後，它感應到了去年10月意大利6.6級諾爾恰地震的旋轉。

最終，科學家希望能夠接近地震源頭。“ROMY不能移動。”法國巴黎導航感應器公司iXBlue地震旋轉感應器負責人Frédéric Guattari說。iXBlue的解決(jue) 辦法是一個(ge) 由長達5公裏的纖維光環構成的緊湊傳(chuan) 感器，那些纖維光環被纏繞為(wei) 一個(ge) 直徑僅(jin) 有20厘米的線圈。該裝置可將光子通過線圈發射到相反方向，幹擾它們(men) ，並跟蹤相移探測旋轉。Guattari已經把該設備原型放置在斯特龍博利火山兩(liang) 邊和佛羅倫(lun) 薩大教堂中。

但Igel和Schreiber 希望這樣的小事，他們(men) 還希望ROMY能夠孵化出後代。通過布置在全球各地的多個(ge) 大型環形激光器，大地測量可以通過協調、校準和驗證各個(ge) 激光器的測量結果，形成更加豐(feng) 富、更加精確的地球旋轉和移動的結果。盡管Plank非常認可VLBI，她同樣希望德國大型環形激光器不會(hui) 單兵作戰。“最終目標是在全球有更多類似的裝置。”