地球内部固液的百年大争论

时至今日，人类的航天器将要飞出太阳系，天文望远镜可以给几千万光年外的黑洞拍照。借助强大的技术，我们的视野早已突破地球，眺望深邃的宇宙。但是，我们脚下的大地却不那么容易直接看到，只能靠间接的手段。也只是在最近不到一百年的时间内，人类才算是对地球内部有了一个比较系统的认识。

1、认识地球的历程

人类虽然只是生活在地表，但是来自地下的力量却对人带来过巨大的震撼，比如火山、地震等。古代的中国人认为，地下有一条地龙，一翻身就会有地震；而地府也在地下，那里阴森恐怖，是人死后的归宿。而1864年法国小说家儒勒·凡尔纳出版的《地心游记》，将地球内部描写成为一个拥有风暴、海洋甚至巨兽的精彩世界，令人浮想联翩，地下到底有什么？

在两千年多年前的古埃及，地理学家埃拉托斯特尼（Eratosthenes）曾根据夏至日高塔影子的长度计算了地球的直径，得到的结果与现代的测量值非常相近。中国唐朝的天文学家僧一行也曾计算过地球的直径。他们都假设地球是一个球形。到了1687年，牛顿出版了巨著《自然哲学的数学原理》一书，在书中他考虑了地球自转、引力等因素，假设地球内部是液体，计算了地球的偏心率，也就是地球偏离正球形的程度。他认为，因为地球自转，地球的赤道突出，两极略扁。在计算中，牛顿假设地球内部是液体，但并未解释为什么是液体。当然，这个假设是不对，但牛顿的计算缺相当精确的。

另一个支持地球内部是液体的证据，来自于高山，但故事还是要从牛顿说起。牛顿根据他的力学理论，计算了地球的平均密度，认为大约是水的五到六倍，和现代的测定值仍旧十分接近。但是，这个值仍旧要比地表的岩石要大两到三倍，那么只能是地球内部的物质密度更高，即外轻内重。牛顿发现的万有引力，在地球上就表现为重力，可以简单的认为，密度越大，重力就越大，而物质越多，引力也越大。所以，如果我们假设地球的密度分布从内到外逐渐增加，同样的层位具有同样的密度，那意味着高山多出来的物质会有额外的引力。正常情况下，如果自由悬挂一根柱子，它应该指向地心。但是，如果在高山的旁边，由于高山水平方向的引力，这根柱子就应该偏向山的方向。在18世纪，法国地球物理学家布格（Bouguer）在南美洲厄瓜多尔的安第斯山脉做了这样一个实验。实验结果显示，柱子确实偏向山的方向，但是偏离的程度要比原来的估算值小很多。再后来，19世纪前期，英国地质学家在印度的喜马拉雅山做同样的实验得到了同样的结果。这说明，高山的引力要比原来的预想小很多。那么只有一个解释，山区的物质比我们原来估计的要少。可以想象一下，如果我们把一根木头扔到水里，它一部分沉入水面，一部分露出来，露出来的这部分就是山。在计算的时候，把水下低密度的木头当作高密度的水，物质变多，结果肯定是引力要大。而实际上，高达的山脉，不仅高耸在地面，在地下也有很深的“根”，可以深过正常的地壳，深入到高密度的地幔中。也就是低密度的地壳物质挤占了高密度的地幔，那么引力肯定会减少。这样解释很容易理解，实际也确实这样，但这里有个假设，即地幔是液体，地壳浮在上面，而且可以根据载荷或深或浅。这称作均衡。

牛顿提出的液态说这一学说可以很好的解释多种地质现象，比如山脉的成因，就是坚硬的地球外壳在液体上横向漂动挤压形成的，地震也是因为挤压。火山则更简单，内部的液体沿着缝隙喷出来就行了。也正因为它如此成功，在牛顿之后的将近两百年的时间内，液态说都是地质学界的主流学说。

2、开尔文的反击

开尔文（Kelvin）大家都很熟悉，绝对温度的单位就是以他命名的，19世纪的科学巨人，热力学定律的创立人，同时在材料形变方面也有很大的贡献。而他的另一个故事流传更广。1900年世纪之交，他发表了一个著名的演讲，认为物理学的大厦已经完成了，接下来物理学家的工作就是修修补补了。但是，后来相对论和量子力学的发展直接把物理学推进到了新的高度，而开尔文也因此成了保守科学家的代表。

保守的言论并不能否定开尔文的伟大，他对我们认识地球也有非常大的贡献。在开尔文之前，大多数科学家都认为地球内部是液态的。相对固体，液态的物质是非常容易受到外力影响。比如，月球和太阳的潮汐作用，可以让开阔的海水最高隆起将近一米高（靠近海岸或河口的高达数米大潮是因为受到海水变浅或地形的影响），但是固体地球最大的变形也就三十公分。考虑到海水的平均深度才4000多米，而地球的半径有6300公里，固体地球的形变量是非常小的。但是，如果地球内部是液体，根据开尔文的计算，这个变形量就非常可观了，里面的液体将会冲破外面的地壳。即使地壳强度很大而不破碎，它也会在地内液体的带动下，变形幅度非常大，这是完全不符合现实的。所以，他认为地壳内部不可能都是液体，应该是固态的，而且全部是固态的，“像铁一样坚硬”。

在开尔文之后，地质学家开始相信，地球内部确实固体，但又有点矫枉过正。因为开尔文地球完全是固体，而且非常坚硬的固体，那么地球内部就不会再有什么运动了，板块的漂移更不可能了。所以，当1912年德国科学家魏格纳提出大陆漂移假说以后，虽然在地质学界引起了很大的轰动，但还是没有成为主流学说。因为根据著名而又固执的地球物理学家杰弗里斯（Jeffreys）的计算，板块是不可能在坚硬的岩石上面滑动的。既然在物理上不可能，那么大陆当然不可能漂移了。

3、地震学登场

开尔文推翻了地球内部熔体说，但又走进了另一个误区。地球内部，尤其是地幔确实主要是固体没错，但是也不是像他认为的那么坚硬的，而且也不完全是固体。更进一步的研究就需要地震学登场了。

工欲善其事必先利其器。地震学的发展依赖于地震仪的技术进步。世界上第一台实用意义的地震仪是1875年有意大利地震学家菲利普·切基（Filippo Cecchi）发明的。随后，德国地震学家帕斯维茨(Ernst von Rebeur-Paschwitz)对地震仪加以改进，能够记录更微弱的信号。1889年4月17日，位于德国波茨坦的一个地震仪突然跳动了起来，记录了一段震动。但是，帕斯维茨并不知道这是怎么回事。直到几个月后，他读到了著名科学杂质《自然》上的一则短讯，提到了在日本发生了一次大地震，而且时间也能够对的上，他才意识到这个信号就是日本的那次大地震带来的。这是人类第一次记录到来自地球另一端的震动，这个信号直接从地球内部穿过，走了大约9000公里。这个事件标志着现代地震学的开端，地震学家开始用地震信号对地球做CT。但遗憾的是，先驱帕斯维茨在首次观测到这个信号6年以后就因肺结核去世了，并没有看到地震学在地球研究方面大显神威。

之后几年，欧洲、美国和日本建立了大量的地震台记录地震信号，这为地震学家的研究提供了很多便利。地震波是一种机械波，由一种介质进入到另一种性质不同的介质中时，会发生折射或反射，改变传播方向。如果我们假设地球内部是均匀的或者是按照某种规律变化，就可以计算出来一个地方发生地震之后，在全球各地应该接收到地震信号的时间。若实际测量值和计算值不一致，我们就可以说地球内部的性质发生了变化，改变了地震信号的传播路径，而且这种变化的深度是可以计算出来的，这就是利用地震信号研究地球内部构造的基本原理。

利用这一原理，地震学家相继做出了一系列惊人的发现。1906年英国地震学家奥尔德姆（Richard Oldham）发现了地核的存在，1913年，德国地震学家古登堡确定地核的深度大约2900公里，因此地核和地幔的界面也被称为古登堡面；1909年克罗地亚地震学家莫霍洛维奇（Mohorovičić）发现了莫霍面，莫霍面之上为地壳，之下一直到地核为地幔。

4、地球的固液二象性

在物理学中，有一个长达数百年的争论，肇始于牛顿，终于爱因斯坦，就是光到底是波还是粒子。牛顿认为是光是粒子，后来法国科学家托马斯·杨通过双缝干涉实验证明光是一种波。后来，爱因斯坦提出，光既表现为波，又能表现为粒子，从而解决了这个百年争端。

地球内部状态也是一个百年难题，液态说固态说相继登场，互有胜负。在地震仪接收到地球另一端的地震信号后，似乎意味着地球内部确实都是固体的。但是，在发现地核的过程中，新的问题又出来了。

地震波在地球内部传播的时候有两种，一种是P波，速度快，在固体和液体中都可以传播，但在液体中速度会变慢；另一种是S波，速度较慢，只能在固体中传播。理论上，一次大地震后，全球任何地点都应该可以检测到这两种波。但在19世纪的末期，地球物理学家就感觉到不对劲了。当时的科学界可以分为两派，一个是传统的科学重镇英国，一个是以德国和法国为代表的欧洲大陆学派。为了各自的荣光，两派在科学家展开了全方位的竞争。

最早，根据1897年和1902年两次大地震后得到的地震波数据，英国科学家奥尔德姆发现，在以震中为中心的100°范围外，S变得很弱，而在90-155°之间，P波也变得很弱，这就有点不可思议了。在1906年，奥尔德姆发表的他的结果，提出地球存在一个核心，与地幔的物质性质存在显著的差异，地震波通过核心传播发生折射，才造成了以上现象。但是，遗憾的是奥尔德姆的研究用错了震相，虽然他发现了地核，但却不是现在我们认为的那个地核，他计算得到的地核深度为3800公里，明显高于实际深度。这一失误并不完全是奥尔德姆的原因，一部分也是因为他那个时候对算法的研究上不够深入。这一问题要等到古登堡来解决。

在19世纪末至20世纪初，统一不久的德国逐步变成世界科学的中心，哥廷根又是中心的中心，引领了当时数学、物理、化学和地震学等研究的潮流。在20世纪最开始的几年里，哥廷根的数学家成功的把数学和力学等理论引入到地震学的研究中去，发展了计算不同深度地震波速的方法。根据这个方法，当时还是研究生的未来顶级地球物理学家古登堡计算了地核的深度，2900公里，并由他的导师维歇特在1912年在哥廷根的科学协会上宣布，最终结果发表于1914年。因此，后来地核和地幔的界面就被称为古登堡面。维歇特也是非常著名的地球物理学家，地核的成分是铁镍合金的观点最早就是他提出来的。

起初，对S波减弱或消失这一现象，科学家并没有很好地解释，虽然他们知道S不能在液体中传播这一特性，也都认为地球物质的力学性质肯定在核幔边界发生了非常显著的变化，但是受到地球固态说的影响，他们不愿意用“液态”这一个词来形容地核，但一时又找不到更好的说法。尽管如此，地核的发现者奥尔德姆在1913年就改变了观点，认为地核是液态的，但古登堡显得更固执。古登堡坚信，S波是能够穿过地核的，只不过地球从硅酸盐的地幔变成铁镍合金的地核以后，密度增加但强度下降，导致S波的速度突降，而且它实在是太慢了，慢到在地表几乎观察不到；同时也试图寻找很多的证据要证明地核是固态的。但是，这次古登堡是不对的。

对地核性质的确定还要等到另一个人，英国地球物理学家、数学家杰弗里斯。上面提到，杰弗里斯利用计算，捍卫了固态论，否定了魏格纳的大陆漂移说。但对更深部的地核，他却有积极的贡献，正式确立了地核的液态说。1926年，他正式发表了一篇论文，通过计算得出地核确实是液体的结论，并很快就被古登堡接受了，随后亦被地质学界普遍接受。当然，这一观点能够被很快接受的原因，一是杰弗里斯对地核性质的计算，可以与通过其他方法得到的结果相调和；二是当时的理论对S波在地核消失的原因解释太过牵强，不如用液态说简洁明了，再就是地球物理学权威古登堡很快接受了他的观点。所以，基本上到20世纪30年代，地球物理学界大都接受了地核是液体的观点。

到此，科学界对地球的认识是，地球内部外层的地壳和地幔是固体，深度大约2900公里，之下是液态的地核，地球壳、幔、核的基本结构框架已经确定。可以说地球既有固体，又有液体，这就是地球的“固液二象性”。但是，故事还没有结束。

5、内核的故事

虽然杰弗里斯确定了地核的状态，但是用液态的地核并不能解决所有的问题。如果假设地核都是液体，且地震波的速度低于地幔，由于物质性质的不同，地震波将会在核幔边界发生折射，改变传播方向。这样，一个地震发生后，地球的另一端某一定区域内的地震仪将会接收不到地震信号，这个区域被称为“地震影区”。时间到了20世纪30年代，积累的地震观测数据越来越多，关于地球内部地震波传播的特征也越来越清晰，有些现象只用一个简单液态核完全解释不了。比如，实际观测的地震影区和理论计算值不完全一致，地震波的影区，以并不是完全没有地震波到达，它们的路径可能在地核的内部再次发生了改变，到达的时间也与理论计算值不一样。

在1936年，丹麦女地震学家莱曼为了解释这种现象，就引入了一个内核，直径大约1400公里，性质和液态的外核不一样，地震波在这里将会发生折射。随即，古登堡和美国地震学家理查德里克特也在1938年发表论文，支持了这一观点。但是，这次科学家都比较谨慎，只是说地核内部还有一个性质不同的内核，但是不确定是固态还是液态。

对内核状态的研究始于1940年，刚开始都是理论推测。比如，一位美国科学家认为，越深压力越大，物质的熔点也会越高。在内核的深度，地球的温度可能已经低于铁的熔点了，因此这里液态的铁应该已经变成固体了。同样，在内核，地震波的速度再次突升，也应该与物质状态的变化有关，即由液体变成了固体。但是，这些证据都不那么直接。

确定内核状态的证据仍旧来自于地震。我们都听到过钟声，钟声悠扬，可以持续很久，就是因为钟被撞击之后，可以持续震动很长时间，称作自有震荡。地球也是一样的。在每一次大地震后，除了激发传遍全球的地震波外，还可以让地球像钟一样，往复地震动，持续很长时间，而且震动的周期也是有规律的。早在18、19世纪，关于震动的物理数学模型已经建立起来了。到了20世纪中期，得益于地震仪越来越精细，地震学家可以观测到的越来越弱的信号。在1952年苏联勘察加半岛9级地震、1960年智利9.5级地震等大地震以后，都观测到了类似的震动信号。得益于日趋完善的震动理论，地球物理学家可以根据测得的信号来反推介质的状态。他们发现，地球内核必须是固态，要不然地球的震荡周期将与观测值不符。这一重要结论，是由波兰裔美国科学家杰旺斯基在1971年才最终确定的，这时候距离1935年莱曼发现内核已经过去35年了。直到现在，我们对内地核的认识仍旧非常少，那里是地球最神秘的角落。

科学的遗民

杰弗里斯是英国人，一位非常优秀的数学家、地球物理学家和天文学家，是一个科学的多面手。他数学、物理功底十分深厚，在地球物理学方面，致力于用数学、物理理论解决地球内部问题。他认为，深部地球的任何问题都可以通过对地震学数据的计算来解决。他证明了外核是液态的，对认识内核也做出了很大的贡献，对地球物理学的计算理论做出了不可磨灭的贡献。但是，这样一位成果卓著的科学家，却以固执而出名，尤其是终生顽固地反对板块理论。

杰弗里斯出过一本书，叫《地球：它的起源、历史和组成》，这本书第一版出版于1924年，最后一版，第六版，出版于1976年，中间跨度50年。大约在1950年之前的各版本，每次都会有较大的更新，能够反映当时的最新进展。但是，在之后的各版本却越来越保守。比如，在1970年前后，板块构造理论已经成为了地球科学的主流，运用于解释山脉的形成、火山、地震等自然现象。但是，他在他的书中却大肆攻击板块理论，斥之为歪理，对各种证据却全然不见。而且，在最后一版出版的时候，人类已经登上了月球，地球与月球、火星的比较研究已经大大深化了我们对地球组成和演化是认识。但如果你看他的书，却发现航天革命几乎就像完全没有发生过。

他曾经也是一位突破旧理论束缚的勇士。在1926年他提出地核液态说的时候，是35岁。在此之前，他也是一名地球固态论的支持者，很可能在1925年仍旧保持此观点。在莱曼发现内核以后，他也很快拥抱了新发现，并作出了很大的贡献。但是，后来他却越来越保守，完全对新发现新理论视而不见。

这种现象在科学界是非常常见的，旧理论的拥护者在新理论出现的时候，往往誓死捍卫，就像一位留恋前朝荣光的遗民