地球自转的微小变化  

地球的自转通常被视为一种恒定的运动。然而，地球并非完美的球体，整个地球的质量也不是均匀分布的。所以，如果以足够高的精确度去测量，就会发现地球的自转实际上有一些微小的波动，一天的长度也存在微小的差异。

对于许多能够造成这些差异的因素，科学家都已经有了很好的理解。例如，由日月的潮汐力所引起的波动就很容易被观测，并且可以用理论模型很好地解释。但是，当以比这些潮汐信号更高的分辨率监测地球自转时，会发现一些其他的不可预测的扰动。

这类扰动是由地球上的流体在全球范围内的质量输运现象引起的。地球上的流体会与固体部分交换动量，改变地球的自转。由于这样的现象独立发生在全球各个不同位置，因此很难对它们对地球自转的综合影响进行预测，需要不断对其测量。

在一项新发表于《自然·光子学》的研究中，一组科学家利用一个激光陀螺仪，在14天的时间内，以十亿分之五的精度对地球自转速率的微小变化进行了测量。

  环形激光陀螺仪  

地球自转速率的变化，或者说一天的长度变化，与地球在太空中的方向变化相对应。使用包括甚长基线干涉测量（VLBI）、卫星激光测距和全球导航卫星系统（GNSS）在内的空间大地测量学技术，能以低于10⁻⁷度的分辨率进行精确的地球方位测量。

这类方法需要利用分布在全球的数百个GNSS接收器网络来实现，然后还需要使用额外的VLBI测量，来将GNSS的观测数据与太空中的类星体的位置相结合。也就是说，这种测量地球自转速率的方法依赖于对外界的参考系的观测。‍

为了研发出一个独立的、无需依赖参考系的测量系统，科学家已经投入了大量的精力，在一些已被提出的方案中，就涉及陀螺仪的使用。不过，到目前为止，用于大地测量的陀螺仪在精确测量地球自转方面，仍缺乏足够的稳定性和灵敏度。

测量地球自转的微小变化的环形激光陀螺仪。（图/A. HEDDERGOTT/TU MUNICH）

现在，在最新的研究中，一个国际科学家团队利用地下实验室的一个高精度环形激光陀螺仪，在无需参照外部天体的情况下，对地球自转速率的变化进行了绝对测量。

这个环形激光陀螺仪位于德国南部的WettZell大地观测站。在其内部，两束激光围绕一个边长为4米的正方形环传播，一束顺时针旋转，一束逆时针旋转。与地球自转方向一致的光束，其波长会被拉长；与地球自转方向相反的光束，其波长则会被压缩。当将这两束波长略有不同的光束结合在一起时，就会产生与自转速率成正比的“拍音”信号。

环形激光陀螺仪内的激光束路径图。（图/Nature）

与每天只能产生一次测量结果的GNSS接收器网络和VLBI测量相比，这种大型的环形陀螺仪可以每三个小时就提供一次自旋速率的测量数据。它可以灵敏地感知与极移和旋转运动相关的地球物理信号，以十亿分之五的分辨率测量一天的长度。换句话说，利用这个装置，研究人员以数量级为几毫秒的变化，测量了一天的长度变化。

  探索更微妙的效应  

总的来说，这种新的环形陀螺仪在探测海洋角动量和大气角动量对地球自转的影响方面，取得了重大进展。它利用一个独立的激光干涉仪，精确地实现了所有测量。利用这种新的方法，研究人员测量的不再是地球相对于其他参照物的旋转，而是地球自转本身。

这样的测量可以帮助科学家完善地球的空气循环和洋流模型。在未来，科学家们希望能够通过改进环形激光陀螺仪，来测量更加微妙的、难以捉摸的效应。比如根据爱因斯坦的广义相对论，一颗自转的行星会拖拽着时空。或许有一天，这种环形的激光陀螺仪，可以帮助我们感知时空的扭曲。