地球重力场的研究
关于几个场的研究
场的概述
人与天地之间是通过什么东西相互感应的呢？现代科学的回答是“场”。物理学研究表明，物质存在着两种形态：一种是由基本粒子组成的实体，另一种是感官不能觉察的场态。
在现代物理学中，对场的研究大概可以分为以下几种：磁场、电场、电磁场、重力场等，这些场在物理研究中也占有很大的比重，研究物理中各种场的奥秘，对于物理的学习以及运用是有大有裨益的。
自然界中万事万物都处于一个相当和谐的物理环境中，地球本来也是一个无比巨大的磁体，地球不仅具有地磁场而且地球还拥有一个很大的重力场。人体也是一个天然磁场。人体磁场的内部是怎么样的呢？地球磁场对于地球生物又会有什么样的作用和影响呢？地球磁场对人类是有什么好处还是有什么坏处呢？电场的形成的实质又是什么呢？地球重力场的结构是怎么样的呢？对于这些十分有意思的物理现象我们了解得十分透彻了吗？如果深入了解物理中各种场的奥秘对于我们的生活和生产有很大的帮助。
一、地磁场的奥秘
磁现象是最早被人类认识的物理现象之一。磁场是广泛存在的，地球、恒星（如太阳）、星系（如银河系）、行星、卫星，以及星际空间和星系际空间，都存在着磁场。地球是个巨大的磁体，它周围空间存在的磁场叫地磁场。最近日本的一个研究小组利用超级电子计算机成功地模拟出地磁场。几千年来，人们对这个磁场的存在习以为常，很少有人对此现象做过深入的研究。然而，观测表明，从19世纪以来，地球磁场强度减少了约一成。于是有人认为，1 000年以后地磁场将消失。也有人认为近年来地磁场强度的减小是暂时的，很快将转为强度增加。于是众说纷纭，那么地磁场到底是怎样的？对地球上的生物有什么作用呢？
地磁场的起源
地球存在磁场的具体原因还不为人所知，人们只能从理论上推测，普遍认为是由地核内液态铁的流动引起的。最具代表性的假说是“发电机理论”。1945年，物理学家埃尔萨塞根据磁流体发电机的原理，认为当液态的外地核在最初的微弱磁场中运动，像磁流体发电机一样产生电流，电流的磁场又使原来的弱磁场增强，这样外地核物质与磁场相互作用，使原来的弱磁场不断加强。由于摩擦生热的消耗，磁场增加到一定程度就稳定下来，形成了现在的地磁场。
还有一种假说认为：铁磁质在摄氏770度（居里温度）的高温中磁性会完全消失，而在地层深处的高温状态下，铁会达到并超过自身的熔点呈现液态，决不会形成地球磁场。而应用“磁现象的电本质”来做解释，认为按照物理学研究的结果，高温、高压中的物质，其原子的核外电子会被加速而向外逃逸。所以，地核在摄氏4 000～6 000度的高温和360万个大气压的环境中会有大量的电子逃逸出来，地幔间会形成负电层。按照麦克斯韦的电磁理论：电动生磁，磁动生电。所以，要形成地球南北极式的磁场，必然需要形成旋转的电场，而地球自转必然会造成地幔负电层旋转，即旋转的负电场，磁场由此而生。
地磁场的两极位置
根据科学家的研究，地磁极的大概位置是：地磁南极在东经140度、南纬67度的南极洲威尔克斯附近；地磁北极在西经100度、北纬76度的北美洲帕里群岛附近。所以地磁南北极和地理的南北极并不重合。科学家还发现，地磁南北极的地理位置不是固定不变，而是在缓慢变化着的。
地磁场对生物活动的影响
地球磁场
像海龟、鲸鱼、候鸟等众多迁徙动物均能走南闯北，每年可旅行几千千米，中途往往还要经过汪洋大海，它们在迁徙中还能测定精确的位置。科学家们发现，海龟能通过地球磁场和太阳及其他星体的位置来辨别方向。但对于迁徙中的海龟来说，仅有“方向感”是不够的，它们可能还有一张“地图”，用于明确自己的地理位置，最终到达某个特定的目的地。美国北卡罗来纳大学查珀尔希尔分校的肯洛曼研究小组发现，绿海龟对不同地理位置间的地磁场强度、方向的差别十分“敏感”，它们能通过地磁场为自己绘制一张地图。
信鸽能在遥远的地方飞回而不迷失方向，也是由于地磁的帮助。
地磁场对地球生物的保护
地磁场并不强，但对于地球上的各种生命来说，却显得非常重要。如在地球南北极附近或高纬度地区，有时在晚上会看到一种神奇的灿烂美丽的彩色光带——极光。当太阳辐射出的带电粒子进入地磁场后，在地磁场的作用下，带电粒子沿地磁场的磁感线做螺旋线运动，最终会落到地球两极上空的大气层中，使大气层中的分子电离发光，形成极光。
所以这个“超巨”的地磁场，对地球形成了一个“保护盾”，减少了来自太空的宇宙射线的侵袭，地球上生物才得以生存滋长。如果没有了这个保护盾，外来的宇宙射线，会将最初出现在地球上的生命萌芽全部杀死，根本无法在地球上滋生。
地球磁极的倒转和消失有什么影响
对于人类和所有生物来说，地磁变换是灾难性的。地磁消失后，太阳的各种射线都会直达地表，地球上生活的生物将失去“保护伞”，受到强烈辐射的伤害。还有科学家认为，地磁场改变导致染色体畸变，会使动植物发生变异生长。因此，地球磁极的变换是人类面临的最大威胁。地磁真的会磁极变换倒转吗？地磁真的会消失吗？
指南针是中国古代四大发明之一，当时古人虽然利用磁铁的指向性制造出了指南针，但还不明白指南针为何永远指向南方。一直到1600年，英国皇室御医吉尔伯特才提出：地球原本是一个巨大的磁场，北磁极位于地球南端，南磁极位于地球的北端，是磁极决定了指南针的指向。
但是科学家们对地球磁场的研究中发现，地球磁场是变化的，它不仅强度不恒定，就连磁极也会隔一段时间发生倒转。在1906年，法国科学家布律内在对火山岩进行考察时意外地发现，在70万年前地磁场发生过倒转。
在研究中科学家还发现磁极倒转的现象曾在地球的历史上发生过许多次。仅在最近的450万年里就有四次，即“布律内正向期”、“松山反向期”、“高斯正向期”和“吉尔伯反向期”。在过去的7 600万年间曾出现过171次磁极倒转现象。但是，地磁场方向在每一个磁性时期里，也并不是始终如一的，有时会发生被人们称为“磁性事件”的短暂极性倒转现象。
那么为什么地磁场会发生变化呢？有人认为，这可能是地球被巨大的陨石猛烈撞击后导致的结果，因为猛烈的撞击能促使地球内部的磁场身不由己地翻转一个跟头；也有人认为，这与地球追随太阳在银河系里漫游相关，因为银河系自身也带有一个磁场，这个更大的磁场会对地球的磁场产生影响，从而促使地球的磁性会像罗盘中的指南针一样，会随着银河系磁场的方向而不断地变化；还有人认为，由于地球本身内部构造的演变导致了磁极倒转的发生。
根据地磁场起源理论，地磁场磁极之所以发生倒转，是由地核自转角速度发生变化而引起的。地壳和地核的自转速度是不同步的，现阶段地核的自转速度大于地壳的自转速度。然而，5.8亿年前，地球表面呈熔融状态，月球也刚刚被俘获，地球从里到外的自转速度是一致的，地球表面不存在磁场。但是，随着地球向月球传输角动量，地球的自转角速度越来越小。同时，地球也渐渐形成了地壳、地幔和地核三层结构。地球自转角动量的变化首先反映在地壳上，出现了地壳自转速度小于地核自转速度的情形。这时，在地球表面第一次可以感受到磁场的存在，地核以大于地壳的自转速度形成了地磁场。按照左手定则，磁场的北极在地理南极附近，磁场的南极在地理北极附近。地壳与地核自转角速度不同步，这种情形并不能长久地保持下去，地核必然通过地幔软流层物质向地壳传输角动量，其结果是地核的自转角速度逐渐减小，地壳的自转角速度逐渐增大。当地壳与地核的自转角速度此增彼减而最终一致时，地磁场就会在地球表面消失。在惯性的作用下，地壳的自转角速度还在继续增大，地核的自转角速度继续减小，于是出现了地壳自转角速度大于地核自转角速度的情形。这时，在地球表面就会感受到来自地核逆地球自转方向的旋转质量场效应。按照左手定则判断，新形成的地磁场的北极在地理北极附近，南极在地理南极附近。从较长的时期看，整个地球的自转速度处在减速状态，但地壳与地核间的相对速度却是呈周期性变化的，因此导致了每隔一段时间地球磁场就要发生一次倒转。
无论如何，在太空中地磁场的方向却始终是不变的。因为在太空中测得的地磁场，为整个地球自转提供旋转质量场效应，并不会因为地壳与地核相对速度的改变而发生变化。根据左手定则，在太空中测得的地磁场的北方向始终在地理南极上空。
磁极倒转会不会给人类带来灾难性后果呢？经过研究，专家给出解释，地磁倒转并不会有灾难降临。宇航员已经置身于地磁场外，但他们依然活得很好，这说明一个事实，人类即使离开地磁场也可以生存。根据实验得知，地磁场的变化只是会使人的心情变得烦躁。对像鸽子之类靠地磁场导航的动物来说，地磁场的倒转可能对它们辨别方向带来干扰。
二、人体磁场的奥秘
地球是一个天然的巨大的磁体，具有南北两个磁极，然而，地球的两个磁极之间可以互相转换。其实，人类本是也是一个磁体，只不过人类的磁极是单一的，并没有南北两极之分，人体磁极只能单一地释放磁波。
如果把一块铁放在一块磁铁上进行摩擦，然后再将其分开，此时，这块铁就被磁铁磁化，也会具有磁性，而人所具备的磁场是与生俱来的，只不过这样的磁是多样性的。包含磁、电、波、光等，所以它在特殊情况下对任何东西都起作用。人只具有一种磁性，而这种磁性只起释放作用，离人身体越远，磁场也就越弱，人的活动行为不同，磁场的强弱也会发生变化，有趣的是，人也可以集中并控制这种磁场，比如释放的角度。
一般来说，如果一个人思想涣散而且静止不动时，这时磁场也就最弱。这时如有人对他释放磁场，它本身的磁场就会被压制，会比较容易察觉有人对他释放磁场，并追踪其磁场源，也就发生了转头看人的动作，而人体磁场集中释放最能发出磁场的地方就在于眼睛，眼睛是人体磁场释放发射器，但并不是说只有眼睛，人体的所有感官部位都可以。
经常运动可增强人自身的磁场，并可使自身磁场发生转变，并不拘束于只对生物群体，对其他方面也有作用。传说中国的武士练到一定阶段可隔空打物可能就属磁场运用。磁场虽不起主要作用，但已经比平常人所释放的强得多。如果让练功人士盯看某人反应所用的时间一定比普通人看某人所用的时间短。
这磁场究竟怎么产生的呢？
其一，是由生物电流产生。人体生命活动的氧化还原反应是不断进行的。在这些生化反应过程中，发生电子的传递，而电子的转移或离子的移动均可形成电流称为生物电流。人体脏器如心、脑、肌肉等都有规律性的生物电流流动。根据Biot－Savart定律，运动着的电荷会产生磁场，从这个意义上说，人体凡能产生生物电信号的部位，必定会同时产生生物磁信号。心磁场、脑磁场、神经磁场、肌磁场等都属于这一类磁场。人体磁场产生于人体的心脏，血液流动和细胞分裂，这三个缺一不可产生磁场，而中心点在于人脑中，大脑是人体细胞内活跃最激烈和最发达的地方，而在大脑中有一个中心点，就是磁场的中心点，中心点在于大脑与小脑之间，细胞代谢越快小脑的磁场也就越大，而小脑细胞的大小在于运动。而越靠近磁场中心的细胞，磁场也就越大，这就说明了磁场大小与人体运动密切相关。
其二，是由生物磁性物质产生的感应场。人体活组织内某些物质具有一定的磁性，例如肝、脾内含有较多的铁质就具有磁性，它们在地磁场或其他外界磁场作用下产生感应场。
其三，外源性磁性物质可产生剩余磁场。由于职业或环境原因，某些具有强磁性的物质如含铁尘埃、磁铁矿粉未可通过呼吸道、食道进入体内，这些物质在地磁场或外界磁场作用下被磁化，产生剩余磁场。但是，人体生物磁场强度很弱，人体生物磁场在适应宇宙的大磁场的情况下，能维持机体组织、器官的正常生理活动，否则就会出现异常反应。
动物的小脑不发达，磁场也比人类弱，所以人如果观察一种动物所产生的磁场对动物的磁场抗抑性就强，所以，一般动物比人更能感应磁场，但不排除一些本身就具有很强磁性的动物，如蝙蝠。蝙蝠将磁场从嘴中释放出去，利用不同障碍物反射不同的磁场和对抗异自身磁场的不同，来判断物体。强调的是蝙蝠本身是没有接收器官，只能释放单一磁性，如果真有单一器官，那么蝙蝠会周身感觉全是障碍物，因为他首先接收的是自身的磁场，蝙蝠很容易能判断是物还是人，是因为物与人产生的磁场不同，人类利用蝙蝠的这一特性发明了雷达，雷达的一个组件叫接收器，其实命名是错误的，它应叫微弱磁场发射器，它本身是个磁场，所以它只能判断障碍物有无生命，而蝙蝠不同，它的磁波是多样性的，可判断有无生命的物体。
人体磁场是一个非常值得研究的物理科目，解开人体磁场的奥秘将为我们人类的健康带来福音。
三、磁场对黑洞的作用
宇宙中的神秘天体——黑洞在贪婪地吞噬着周围的物质，“捕食”的黑洞拥有一个面积很大的捕食器官，不断从外界吞噬物质，这个捕食器官就是盘绕在它周围的吸积盘。
可怕的吸积盘
吸积盘就像盘绕成一团的蛇一样，最外缘的部分是“蛇嘴”，周围的恒星一旦被“蛇嘴”咬上，就别想摆脱掉。恒星体内的物质就会源源不断流向黑洞吸积盘，像被吸血一样，“血液”不断被吸入“蛇嘴”，进而被黑洞吞噬。从模样上看，就好像一个气球（恒星）的气球嘴被一个圆盘边缘粘住了，气球内的气体（恒星物质）通过气球嘴在不断流向圆盘。
组成吸积盘的物质却是正在被吞噬的物质，这些物质一旦被吸到黑洞周围，会因为被黑洞绑架而马上慌了手脚，不知所措地随着漩涡不断向黑洞的大嘴旋进，在沦为黑洞的美餐前，发出“惨叫声”，以X射线的形式传了出来，还有一些被剥离得遍体鳞伤却还幸运一点的离子逃离出来……这就是黑洞吸积盘里发生的惨相。
为什么黑洞会拥有一个螺旋式旋进的可怕的吸积盘呢？根据以往科学家的观点，这是黑洞的强引力场造成的。
科学家告诉我们：黑洞的质量一般较大，但体积又极其小，这就使得黑洞周围的引力场极其强大。例如，我们银河系的一个黑洞，质量是太阳的7倍，而其体积，据科学家推测很可能只有针尖那么大。于是根据爱因斯坦的广义相对论，黑洞周围的时空极度弯曲，一旦进入其警戒线之内（对于上述黑洞，警戒线范围是方圆10千米的范围），连没有静止质量的光子都会被吸入黑洞，无法再脱离警戒线逃离出来。因此，黑洞警戒线内部的世界在我们看来就是黑的，像一个幽暗的无底洞，黑洞之名由此而来。要想逃离黑洞的警戒线（视界），除非你有超光速的本领。
上述警戒范围是对于拥有光速的光子来说的，而对于速度较低的物质，黑洞的警戒范围肯定会向外扩张，也许方圆多少万千米的范围都是黑洞的领地，普通物质一踏入“禁区”，就会被黑洞强大的引力吸引，陷入黑洞的吸积盘，而吸积盘里的物质也正在黑洞引力下，不断向黑洞盘旋靠近。可怕的吸积盘漩涡就在强大的引力作用下形成了。
黑洞的引力
可是科学家却发现，黑洞引力的理论存在着重大的缺陷。
一个转动的物体，若施加与物体线速度方向平行的力，这个力就会产生促进或阻碍物体转动的效果，这种效果可以用转矩表示。若想让物体停止转动，必须施加阻碍转动的转矩，例如，汽车在刹车时，为了让车轮不转动，顺时针转动的轮子，必须通过刹车板对轮子施加一个逆时针的转矩，轮子才会停下来。若没有任何摩擦，轮子会永远转下去。这就像让一个向前开的汽车停下来，必须施加一个向后的阻力一样。直线运动的物体有惯性，转动的物体也有转动惯性，以角动量表示。如果不对转动的物体施加转矩，那么物体转动的角动量就保持恒定。物体会循着自己的轨道很稳定地围绕中心转动。
物体在一定轨道上绕中心旋转，如果引力恰好等于离心力，物体就会很稳定地旋转，并不会向中心下落。我们发射的人造卫星，只要卫星的旋转角动量不变，卫星会很稳定地绕地球旋转，甚至时间太长久了，卫星失效破碎了，其碎屑也会持之以恒地在太空继续旋转下去。我们若想回收卫星，必须让卫星的旋转角动量降低，卫星才会逐渐向地球靠近。
黑洞吸积盘里的物质和吸积盘外的恒星都在绕黑洞旋转，如果只受到黑洞的引力作用，那么这些物质的角动量应该是不变的。一秒钟之前和一秒钟之后物质的转动是一样的，吸积盘里的物质不应该向黑洞方向下落，吸积盘外的恒星也不应该被黑洞恣意吸取“血液”。尽管黑洞的引力强大，也奈何不了其警戒线之外的物质。而在黑洞警戒线之外的物质若不向黑洞方向下落，又怎么会无缘无故落进警戒线之内呢？这样，黑洞周围的吸积盘应该可以与黑洞相安无事。也就是说超过一定的距离，物质就会像绕地球旋转一样，绕着黑洞安稳地转动，不该向中心靠拢。
除非，有一种作用起到了一种转矩的作用，降低了物质的角动量，物质旋转速度慢了，才有可能向黑洞方向下落。
对此，往往科学家都会想到摩擦力，物质转动过程中的相互摩擦会提供阻碍转动的转矩，会改变物质的角动量。可是这种物质盘内部的摩擦力会很大吗？木星和土星环等物质盘内部的摩擦力就很小。可见，引力和摩擦力都不足以导致黑洞吸积盘里的气体那么快地堕入黑洞。
到底是什么导致吸积盘内物质的角动量丢失那么快呢？
磁场帮助黑洞消化食物
30多年前，科学家就注意到了吸积盘物质角动量的快速丢失，科学家也曾经把怀疑的眼光投向了磁场作用，只是没有找到磁场盗取角动量的证据。
最近，美国密歇根大学的科学家通过观测我们银河系的GROJ1655双星系统，发现了黑洞中的磁场作用的证据。这个双星系统包括一个7倍于太阳质量的黑洞和一个2倍于太阳质量的恒星，其中的黑洞正在通过吸积盘贪婪地吞噬着恒星体内的物质。通过卫星上的钱德拉X射线天文台观测，黑洞吸积盘中心正在以漏斗状向外不断散发出大量的X射线和大量的带电粒子，看起来就像从黑洞中心正吹出狂风，形状如同明亮的火焰。
这种X射线光谱显示，数百万度的气体盘旋在黑洞周围，大量的热气正在向黑洞旋进，这与计算机模拟的磁场和物质的相互摩擦产生的“磁场风”很一致。科学家通过光谱分析认为，黑洞中存在磁场，在黑洞磁场作用下，吸积盘里的气体剧烈地相互摩擦，产生大量的热，高温导致气体电离，并释放出X射线，各种带电粒子又在磁场作用下被吹了出来。高温和高强度的风意味着黑洞具有高强度的磁场，若没有磁场的作用，单纯的摩擦热和射线不会形成这么强烈的“风”。
正是这阵强烈的“风”偷走了周围物质的角动量，再加上摩擦产生的阻碍转矩，吸积盘里的物质角动量大大减小，这相当于物质丧失了能够与黑洞引力相抗衡的力量，不可能在原来的轨道安稳地旋转，它们在黑洞引力下身不由己，只能乖乖地被黑洞吞食。
可见，磁场摩擦是黑洞快速吞噬物质的关键，是产生灿烂炫目的X射线光谱的根源。据测定，GROJ1655黑洞所释放出来的X射线如此明亮，简直与整个银河系其他所有方式释放的X射线亮度差不多。科学家猜测，宇宙中有1/4的X射线辐射是物质向黑洞下落的过程中放射出来的，包括那些宇宙中最亮的天体——强大的脉冲星。原来，可怕的黑洞主要是靠无形而强有力的磁场来捕食的，它和引力场一唱一和，可使食物乖乖送上门来。
科学家也终于认识到，黑洞虽然是宇宙中最黑暗的天体，它却给世界贡献了大量的光明——X射线辐射。也正是在磁场的帮助下，黑洞才有能力加快自己吞噬物质的速度，磁场是黑洞贪吃的伪装“帮凶”。
四、地球重力场的研究
地球对表面物体具有吸引力，重力加速度是度量地球重力大小的物理量。按照万有引力定律，地球各处的重力加速度应该相等。但是由于地球的自转和地球形状的不规则，造成各处的重力加速度有所差异。重力加速度与海拔高度、纬度以及地壳成分、地幔深度密切相关。
地球的重力场是重力势的梯度，可以通过重力测量、天文大地测量和观测人造地球卫星轨道的扰动来求得。由于重力均衡作用，重力场可以反映地幔以及地壳、地幔边界的起伏状况，称之为地壳均衡。地壳均衡既不是一种力，也不是一个过程，它是地壳各部分之间建立一种平衡状态的普遍趋势。地壳对重力作用的适应总是与密度更大的塑性地幔有相当大的关联。地壳单位体积内物质质量越大，沉陷在地幔里的部分也就越深，高原和高山的地壳就要比平原和盆地更深地陷入地幔。
在固体地球物理学中，地球重力场也是其组成部分之一；在天体力学和航天科学中，地球重力场也占据重要位置。所以，地球重力场具有交叉学科的性质。
什么是地球重力场
在中学我们已经学过，地球重力是由于地球的吸引而产生的力。严格地说，地球重力不仅是由于地球对物体吸引这种单一力所造成的，而是由地球对物体的吸引力和地球自转产生的惯性离心力两个力合成的。其中，引力是决定重力大小的根本因素。在地球作用的空间内，其大小与方向和物体所在位置相关。地球重力场可以反映地球内部质量、密度的分布和变化，反映地球物质空间分布、运动和变化。地球重力场是一种物理场，分布于引起它的场源体——地球内部、表面及其周围的空间。
地球重力场与我们的生活
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，特别是对岩石圈动力机制、地幔对流与岩石圈漂移、岩石圈异常质量分布、冰期后反弹质量调整、冰期后反弹引起的海平面变化以及对固体地球的影响、冰盖与冰河的质量平衡、大陆冰雪的变化、板块相互作用机制、板块内部构造、海底岩石圈与海山动力学、海平面变化的物理机制、地球自转、陆地地壳运动和海平面变化的分离等方面提供重要的依据。在大地测量学中，地球重力场信息可以用于研究地球的大小和形状，并且为测量数据的归算提供支持。(https://www.daowen.com)
人造地球卫星受地球重力场的影响
航天器，包括各种人造地球卫星和飞船，凡是在地球重力场中运行的，地球重力场都是决定各航天器以及卫星运行轨迹的主要因素；与其他引起航天器轨道摄动的日月引力摄动、潮汐摄动、大气摄动等因素相比，地球重力摄动因素所占比例更高。
以卫星为例，卫星是通过火箭发射上天、进入轨道且围绕地球运动的。火箭在发射场上有一段近地低速飞行，此时火箭的制导系统对地球重力场的高频信息非常敏感，由重力场测量误差引起的加速度误差，很快会累积成速度误差，进而直接影响卫星的飞行轨迹。因此，发射运载卫星的火箭升空前，有关人员需要了解地球重力场的细微结构，这就必须在发射场测定足够精度和密度的重力点，建立场区局部重力场模型。其次是计算发射点的垂线偏差和高程异常，也需要精细的重力资料。其三是火箭发射中使用的惯性仪表在发射场进行测试时，测试结果与仪表位置的重力加速度亦密切相关。这些都需要在卫星发射场区测定许多重力点。
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。也正是因为如此，在1966～1968年、1975年和2005年的珠穆朗玛峰的3次高程测量中都使用了地球重力场数据。
在军事领域，运载火箭、远程武器的飞行弹道（弹头射出后所经的路线。因受空气的阻力和地心引力的影响，形成不对弧形线。）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。
即便是我们的日常生活也离不开地球重力场。在失重或者超重的情况下，人们的生活会很不方便。在地球上生存的人类，每时每刻都受到地球重力场的作用。雨、雪、霜、自然成熟的植物果实等，都会由于重力的作用而降落到地面上。在微重力环境下，植物的培育、生长和在正常的重力条件下不同，科学家们正在就这个课题进行深入研究。
地球重力场数据还可以推算地震引起的震中和相关区域的水平和垂直位移，为抗震减灾工作提供支持。
如何测定地球重力场
既然重力场对我们的生活如此重要，该怎样测定地球的重力场呢？
测量地球重力，可以通过直接或者间接方法进行，分别被称为绝对重力测量和相对重力测量。
早期的绝对重力测量仪为数学摆和物理摆。数学摆是一种理想的摆，它是以一质点系在无质量而且长度不变的线的一端，线的另一端固定在一个绝对不动的点上，施加外力使其离开平衡位置后，它会纯粹因重力的作用而不断地摆动。物理摆是绕水平轴自由摆动的刚体。其中的可倒摆测定重力的精度能够达到毫伽级。
重力仪
以美国FG－5绝对重力仪和国产NIM－2为代表的现代绝对重力仪多利用自由落体和迈克尔逊激光干涉原理测定重力值。目前，中、美、俄、意研制的绝对重力仪都达到了微伽级的水平。
1997年度诺贝尔物理学奖金得主朱棣文教授等设计制作的原子干涉仪，也可以进行绝对重力测量，该干涉仪1999年测定重力的精度和FG－5相当。
不过，绝对重力仪尽管测量精度高，但价格昂贵，移动不便，多数只能在科学研究中应用。相对重力仪器虽然精度较低，但移动和运输方便、成本低，在生产实践中应用更广泛。
相对重力测量采用的主要有石英和金属弹簧重力仪器。相对重力测量仪器的核心部件为弹性优良的金属或者石英弹簧，以弹簧的伸缩变化测定重力的变化。
相对重力仪中的弹簧存在弹性疲劳现象，因而重力仪会产生“零点漂移”，即在重力不变的情况下，重力仪的读数随时间而变化。“零点漂移”对重力仪的测量精度会有影响，通常只能在观测中加以修正，而不能完全消除。
目前，还有利用超导材料制造的相对重力仪器。
超导重力仪根据超导现象制成，是在低温情况下用超导铌丝绕成两组线圈，分别安装在超导球周围和下方。超导球是用铝制成的空心小球，外表涂铅。线圈接通电流后，立即切断电源，线圈之间便形成一个永久磁场。超导球由于抗磁性而悬浮在磁场中。当悬浮力同作用在小球上的重力平衡时，超导球静止在一个位置上。当重力发生变化时，超导球也随之上下移动，且呈线性关系。超导球位移量可采用电容传感器检测，进而求出重力变化。超导重力仪多用于固定台站的重力测量，其测量精度为微伽级。
需要说明的是，重力测量种类划分为多种方式。比如，按照测量作业区域，可以把重力测量划分为：陆地重力测量、地下重力测量、海洋重力测量、航空重力测量、卫星（空间）重力测量。在不同的测量作业区域，使用的测量仪也不尽相同。
在海洋和航空区域，一般采用相对重力测量仪进行重力测量。
在利用人造地球卫星进行地球重力测量时，一般采用间接的方法，即通过地面跟踪卫星、卫星对地观测，或者卫星跟踪卫星的技术，间接求得地球重力数值。这些卫星也被称为重力卫星。
地球重力场与我们的生活息息相关，地球重力场的瞬息变化对我们的生活有很大的影响，对地球重力场的研究具有十分重要的物理意义，也具有十分重要的利用价值。
五、电磁悬浮的奥秘
电磁悬浮是一个非常有意思的物理课题，对于电磁悬浮的研究、开发、利用将为我们人类作出相当大的贡献。
电磁悬浮的用途十分广泛，最突出的作用在于人们利用电磁悬浮制造了电磁悬浮列车，电磁悬浮列车的发明为我们的交通出行缩短了旅途时间，为我们的生活带来了很大的便利。
磁悬浮列车是一种没有车轮的陆上无接触式有轨交通工具，时速可达到500千米。它的结合能，是利用常导或超导电磁铁与感应磁场之间产生的相互吸引或排斥力，使列车“悬浮”在轨道后或下面，作无摩擦的运行，从而克服了传统列车车轨黏着限制、机械噪声和磨损等问题，并且具有启动、停车快和爬坡能力强等优点。
早在1992年，德国的赫尔曼·肯珀就提出了电磁原理，并在1934年申请了磁悬浮列车的专利，并由此开始为人类编织一个高速乘行的梦想，人们对速度追求的目光，因而转向使摩擦阻力大大减小的磁悬浮。
早在1994年，西南交大就研制成功中国第一辆可载人常导低速磁浮列车，但那是在完全理想的实验室条件下运行成功的。
电磁悬浮列车
2000年研制的世界第一辆载人高温超导磁悬浮列车“世纪号”在我国诞生。2003年，西南交大建在四川成都青成山磁悬浮列车线完工，该磁悬浮试验轨道长420米，主要针对观光游客，票价低于出租车费。
技术系统
悬浮系统：目前悬浮系统的设计，可以分为两个方向，分别是德国所采用的常导型和日本所采用的超导型。从悬浮技术上讲就是电磁悬浮系统（EMS）和电力悬浮系统（EDS）。
电磁悬浮系统（EMS）：是一种吸力悬浮系统，是结合在机车上的电磁铁和导轨上的铁磁轨道相互吸引产生悬浮。常导磁悬浮列车工作时，首先调整车辆下部的悬浮和导向电磁铁的电磁吸力，与地面轨道两侧的绕组发生磁铁反作用将列车浮起。在车辆下部的导向电磁铁与轨道磁铁的反作用下，使车轮与轨道保持一定的侧向距离，实现轮轨在水平方向和垂直方向的无接触支撑和无接触导向。车辆与行车轨道之间的悬浮间隙为10毫米，是通过一套高精度电子调整系统得以保证的。此外由于悬浮和导向实际上与列车运行速度无关，所以即使在停车状态下列车仍然可以进入悬浮状态。
电力悬浮系统（EDS）：将磁铁使用在运动的机车上以在导轨上产生电流。由于机车和导轨的缝隙减少时电磁斥力会增大，从而产生的电磁斥力提供了稳定的机车的支撑和导向。然而机车必须安装类似车轮一样的装置对机车在“起飞”和“着陆”时进行有效支撑，这是因为EDS在机车速度低于大约40千米/小时无法保证悬浮。EDS系统在低温超导技术下得到了更大的发展。
超导磁悬浮列车的最主要特征就是其超导元件在相当低的温度下所具有的完全导电性和完全抗磁性。超导磁铁是由超导材料制成的超导线圈构成，它不仅电流阻力为零，而且可以传导普通导线根本无法比拟的强大电流，这种特性使其能够制成体积小功率强大的电磁铁。
超导磁悬浮列车的车辆上装有车载超导磁体并构成感应动力集成设备，而列车的驱动绕组和悬浮导向绕组均安装在地面导轨两侧，车辆上的感应动力集成设备由动力集成绕组、感应动力集成超导磁铁和悬浮导向超导磁铁三部分组成。当向轨道两侧的驱动绕组提供与车辆速度频率相一致的三相交流电时，就会产生一个移动的电磁场，因而在列车导轨上产生磁波，这时列车上的车载超导磁体就会受到一个与移动磁场相同步的推力，正是这种推力推动列车前进。其原理就像冲浪运动一样，冲浪者是站在波浪的顶峰并由波浪推动他快速前进的。与冲浪者所面对的难题相同，超导磁悬浮列车要处理的也是如何才能准确地驾驭在移动电磁波的顶峰运动的问题。为此，在地面导轨上安装有探测车辆位置的高精度仪器，根据探测仪传来的信息调整三相交流电的供流方式，精确地控制电磁波形以使列车能良好地运行。
电磁悬浮原理的应用已经深入到我们日常生活的许多领域，电磁悬浮原理在物理学方面有十分重要的研究价值，深层次地探索电磁悬浮的奥秘，将为我们人类今后的生活带来更多的便利。
六、地球电磁场的奥秘
地球是一个庞大的球体，但是，这个庞大的球体蕴含着十分深奥的秘密，地球电磁场又给地球蒙上了一层神秘的面纱。因此，目前地球磁场是物理学家们非常值得探讨的一个话题，更是一个亟待解开的课题。
星体及原子的实质是许多能级层次的正、反场荷的电磁运动及规律性组合，是十分复杂的自组织、自馈能系统。电、磁场力的强度梯度效应，共同形成引力和重力效应，使星体及原子大多收缩成圆或椭圆形。
地球是一个众多电磁场层次有序叠替及交叉分布的自组织巨系统。在取得有效的实际探测资料之前，我们可以从对电磁现象的深入认识中，从对太阳及行星的观测资料中，从地球的各种自然现象，如洋流、信风、地震波数据、河流及动植物分布、空间性质及气象信息等做一些深入分析。
一个大的电磁场结构是由若干分电磁场结构层次按性质和量级有规律地合成的，其组合原则必须服从能量守恒及结构共性。
电场从核心及最外空间层次两个方向向壳层中部从低质、低能、低量级介质，向高质、高能、高量级分成正、反若干层次；对应的磁场也分成对应量级的正、负、若干层次。磁场力线使壳层内、外及同一量级的左、右场层次联系起来使之相互馈能互补。
星体电磁场总是趋向于正、负电磁场层次的动平衡态，在与外界电磁场的作用中，往往破坏原有的平衡而重新建立新的平衡。即，星体电磁场是波动涨落、变换调整中的动平衡。
从穿越地壳的电磁场分布看，地球有七个电磁场量级分布态：
“一”是地球的质能量级最低的电磁场，它的磁轴（一般与自转轴同向）穿越地心、南北极而和最外层空间场联系起来，形成磁回路，且地球核心是它主要的源。它的场介质与太阳黄道电磁场主介质同量级，是低能弱子族的成员。它的主磁场是右手性质的。
电磁场介质的质能量级低，它所决定的温度就一定是低的。所以地球核心及最外层空间的温度都很低；核心的密度很小，是空的。因为南、北极地尚有较高量级的壳面电磁场交汇和调制，所以地心温度远低于南北极地。它应是摄氏零下160度的冷态，其场介质必然是超导的。
“二”是主磁轴穿越南、北纬75度地区的比“一”高一量级的电磁场。在地核，它分布在“一”的外侧；在外空间，它在“一”的内侧。它的磁场是左手性质的。
“三”是主磁轴穿越南北纬60度地区的比“二”高一级的电磁场。它的主要的源在下地幔下部，次源在外空间“二”的内侧。它的主磁场是右手性质的。
“四”是主磁轴穿越南、北纬45度地区的比“三”高一级的电磁场。它的主源在下地幔上部，次源在外空间“三”的内侧。它的主磁场是左手性质的。
“五”是主磁轴穿越南、北纬30度地区的比“四”高一级的电磁场。它的主源在上地幔下部，次源在外空间四的内侧。它的主磁场是右手性质的。
“六”是磁轴穿越南、北纬15度地区的比“五”高一级的电磁场。它的主源上地幔上部，次源在外空间“五”的内侧，应在平流层中。它的磁场应是左手性质的。
“七”是生物圈的较高量级的电磁场。除了穿越赤道的主磁轴外，还有不同纬度的（包括南北极地）相同量级的分结构的磁分量。它们的合成磁场平行于地平面直达南、北极地附近。电磁场的调制作用使地球表面的不同地方都有不同数值的磁垂直分量。它的主源在地壳下部，次源在“六”的内测的对流层中。它的磁场是右手性质的。
因为第“七”量级的电磁场是地球生物圈中的主要电磁场，生物圈内的仪器都与场同量级，所以，人类测量和认识的主要是生物圈中较高量级的电磁场。它应有四种不同性质的介质层次。
电磁场量级从核心及最外层空间两个方向向地壳逐次升高；相同量级、相同性质场层次有规律地叠加与合成，便形成包围着整个地球的不同量级、不同性质的层层电磁场及某些高密度磁层和电离层。和一些等离子活动区。
等离子区周边及不同性质电场的交汇处，频频进行着碰撞结合及聚变反应，产生辐射能和高温。如，地幔中的熔融层及地壳的地热带；外空间的范·阿仑辐射带。不同量级、不同性质的电磁场切变交汇是涡流、湍流现象及台风、龙卷风的重要成因。
地球（星体及原子、基本粒子）的磁场是扭曲拓扑的，即量级和性质相同的内、外及左、右电磁场由磁力线的扭曲拓扑联系着，以实现内与外、左与右的结构分布自洽互补馈能。这种拓扑性质，使同一量级的电磁场相对于自己的磁轴具有一定的角分布；不同量级的电磁场之间既有径向角分布，又有纬向角分布。这就使同一个磁场回路的南、北两极或磁眼并不镜像于赤道，而是错开一定的经、纬角。所以，用平面图很难明确描绘地球的电磁场结构。
当一个结构体的最低量级基态场是正磁场时，正磁场则是该结构的主导磁场，强度及密度都强于自身的负磁场；该结构内的负磁场将处于被抑制态的辅助地位，其介质往往以等离子态存在。负磁场为主导磁场的结构性质与上述情况相反。
电磁场分布机制及结构特点说明，地球的负磁场层次是确实存在的。因为正磁场是地球的主导磁场，人类生存于生物圈的较高量级的正磁场内，所以人们忽视了地球负磁场的存在性。
人们发现的不同地质层次里的反磁矩现象，是真实的正、负磁场的分布性质决定的，并非是远古时代的剩磁效应。
因为地球电磁场是运动、变换、迁移的，所以，当某地区存在其他量级的正磁场交汇叠加时，地面重力增加，便表现为高气压；当某地区存在其他量级的负磁场交汇调制时，地面重力减小，便表现为低气压。高、低气压中心随着电磁场的变换迁移而不断地变化迁移。电磁场变换迁移及其量级和性质的变化是气候变化及气温忽冷忽热的根本原因。
流动性较好的荷电分子介质（水、空气、熔岩等），在电场力及磁场力的作用下而有明显的相对运动。这些运动在相同量级、相同性质的电磁场中汇集连接，便形成规律性的对流，如空间对流层、信风；洋流的寒流与暖流及不同深度的洋流走向等等。正磁场控制的荷电介质的运动产生抗磁性，如寒流；负磁场控制的荷电介质的运动产生顺磁性，如暖流。
所有电磁场量级较多的大天体都有自己不同量级、不同频率的光环。光环是被抑制的磁场层次里的等离子活动所形成的不同频率的辐射带。如果从外星体观测地球，地球也有因不同高度、不同量级的范·阿仑辐射带所决定的不同频率的辐射光环。
人们观测到的太阳、木星、土星等星体的壳面，都有若干个对称于赤道的不同色度的明、暗光带。这就是不同性质的较低量级的电磁场层次穿越壳层，与壳层电磁场交汇、调制作用所致。由于壳层电磁场受不同量级、不同性质的低能电磁场调制，使发光天体在不同纬度的辐射强度不同；低温天体对入射光的反射率及吸收率不同。如果从其他天体看地球，地球必然也有对称于赤道的不同色度的纬向分布光带。
地球是我们赖以生存的家园，地球能源的开发和利用将帮助我们更好的生存和生活，地球电磁场存在与我们人类以及动植物的生存息息相关，密不可分，因此我们要深入了解地球电磁场的奥秘。
