运动(地球的生命密码)/科学与未来院士科普丛书

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第一章 地球内部结构大探秘
　　这是一个深达6400千米、充满活力的世界，那里是什么样的？由什么物质构成？有着怎样不同的特性？和我一起“骑上”神奇的地震波去地下探秘吧
　　一、序曲：地球科学舞台—已知和未知的
　　故事得从18世纪开始讲起。不管那个苹果砸脑袋的故事是真是假，艾萨克 牛顿（Isaac Newton）实实在在提出了著名的、几乎可以解释任何宏观现象的牛顿运动定律。此后，科学列车便驶上了加速轨道，发展日新月异。这辆列车有些背离“万能上帝”的旨意，又将人们对时间、宇宙、物质的认识带出了上帝的掌控，飞快地驶入集宏观和微观、短瞬和永恒于一体的“时光长河”、“寥廓空宇”和“微粒世界”中去。由此，人类科学史上也诞生了迄今最热闹、壮观、戏剧化的时代。如果非要用一个词来形容，我找不出比“缤纷跌宕”更贴切的词语了。
　　这出精彩热闹的剧目中当然少不了探秘地球家园的故事。人们很早就产生了一种强烈的了解地球的欲望，想要知道地球的体积有多大、年龄有多大，悬在宇宙的哪个地方、是怎样形成的（这个问题至今悬而未决）。于是，人们开始了一轮轮的对地球的测量工作。首先是测量1度经线的长度。牛顿三大运动定律完美地阐释了生活中的诸多现象，像潮水的涨落、抛射物体的轨迹、行星的运动乃至星体的预言（像海王星），以及地球高速旋转但我们依然固着在地球表面等。它还明确指出，地球必然不是一个规则的球体，而是在离心力的影响下呈现为赤道突起、两极略扁的椭球体。因此1度经线的长度在两极最长，而在赤道最短。这吸引了欧洲（主要是英国、法国）诸多数学家、天文学家，不辞辛苦、远涉万里，凭借坚定的意志和不灭的激情给出了1度经线的长度约为110.72千米、110.46千米等测量结果。于是，地球的大小终于有了着落。
　　科学家们奔赴全球多个地点试图观测金星凌日现象，想利用三角测绘法来计算地球到太阳的距离。金星凌日现象的发生并不规律，有时8年发生一次，有时在一个世纪里都不会出现。继续凭借着顽强的毅力和吃苦的精神（那个时候可是要真的跋山涉水），直至18世纪60年代，欧洲学者们终于确切计算得出地球到太阳的平均距离大约为1.5亿千米，也就是天文学上的一个日地距离（1 AU），和现代测量的准确数值1.49597870691亿千米相差无几。于是，地球在太空中终于有了确切的位置。
　　对地球比重的测量要归功于英国科学家亨利 卡文迪许（Henry Cavendish）。他利用由重物、砝码、摆锤、轴和扭转钢丝组成的仪器测量了引力常数，并计算出地球的质量为6×1021吨。目前对地球质量的准确估值为5.9725×1021吨。于是，地球有了质量，平均密度值为5.5克/厘米3。到了18世纪末，科学家们已经确切知道地球的形状、大小，以及地球到太阳和各个行星的距离。
　　至于“地球的年龄”这个有关时间的问题从人们发现史前化石起就一直很是扑朔迷离。在苏格兰的山顶上经常会发现古代的蛤蜊壳和一些海洋生物化石。为了解释这一令人困惑的现象，“水成论”者和“火成论”者粉墨登场。“水成论”以《圣经》（Bible）中提到的洪水为根源，认为地球上的一切都可以用海平面的升高和降低来解释，山脉、丘陵等所见到的地貌和地球本身一样古老，只是在洪水时期被水冲刷的过程中发生了一些变化。而站在“火成论”一侧的詹姆斯 赫顿（James Huton）提出了另外一套不同寻常的“均变论”观点。在1795年出版的论著《地球的理论》（Theory of the Earth）中，他论述到存在某种过程，某种形式的更新和隆起，创造了新的丘陵和大山，如此不停地循环往复，而山顶上的海洋生物化石不是“水成论”中所提出的发洪水期间沉积的，而是跟大山本身一起隆升起来的。他明确提出“现在是过去的钥匙”这一重要的地质学思想—一个胆大而又颠覆性的见解，足以改变我们对这颗行星的认识。赫顿就这样开辟了“地质科学”（图1-1）。
　　到19世纪中叶，多数学者接受了地球年龄比较古老，起码有几百万年，也许是几千万年的说法，但究竟有多老，并没有令人信服的说法，反正不是《圣经》中所明确给出的“地球创造于公元前4004年10月的某一天”。1859年，查尔斯 罗伯特 达尔文（Charles Robert Dawin）在《物种起源》（On the Origin of Species）一书中宣布，根据他的计算，地球至少有3亿年的历史；1860年，约翰 菲利普斯（John Phillips）根据沉积速度和累计的地层厚度首次给出了比较严肃的估计，认为地球的年龄为9600万年；开尔文勋爵（Lord Kelvin）也介入这一颇有争议的问题中来，假定地球是热的熔融球体冷却而来，计算得到地球的年龄为9800万年，最大可能为4亿年，几年后又更正为2400万年。这些数字的更改并非随心所欲，而的确是因为—那个年代的物理学家们实在无法理解为什么像太阳这么个庞然大物可以不间断燃烧几千万年以上而没有耗尽它的燃料。因此科学家们只能想当然地认为太阳及其行星势必相对年轻，而这些推测与几乎所有的地质化石资料都相互矛盾。
　　20世纪的曙光解开了开尔文勋爵的困惑。物理学界放射性元素的不断揭秘，终于让人们意识到地球内部额外的热量就源自地球内部的放射性元素。当开尔文勋爵听到欧内斯特 卢瑟福（Ernest Rutherford）对放射现象的郑重宣讲时，他欣然明白了地球的年龄远比以前的估计要古老得多。当然，人类首次正确给出地球的年龄约为46亿年也是几十年之后的事了。
　　图1-1“地质科学”的诞生
　　“水成论”“火成论”等粉墨登场，赫顿提出“现在是过去的钥匙”的重要地质学思想