地球内部固液的百年大争论(2)
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。
图片1:奥尔德姆在1996年发表的图,中间是地核,直径约为地球直径的0.4倍。线条是他对地震波早地球内部传播方式的解释,因为在地核处发生了折射,才导致一定区域检测不到S波或非常弱。
图片2:1914年古登堡发表的地震波速随深度的变化,纵轴表示速度,向上是速度增大的方向;横轴是深度,原点处为地核。
图片3:现代地震学得到的地震波影区。S波的影区(左)和P波的影区(右)Steven Earle (2016)

#文化北海#【古代合浦书院】合浦地处岭南,文教发展相对中原略显迟缓。合浦学校之设始于北宋哲宗年间,谢季成任廉州知州后“筑城平道修学校,规模一新”,这是关于合浦学校的最早记述。清嘉庆年间的《重修府学碑记》载称“廉州府学创于宋”,碑文虽未言明府学在何时由何人所设,但据古代地方官学“由上及下”的创设惯例推断,谢季成所修“学校”至少为府学前身。宋元时期,合浦的科考体制逐步发展。明朝建立后,合浦知县卢文会于洪武十四年(1381年)增设县学,至此合浦的官学体系基本形成。

  相对于官学,合浦书院的出现与发展则较晚。据崇祯版《廉州府志》记载,合浦的第一所书院是了斋书院,为南宋抗元英雄陈文龙“谪居读书之所”。了斋书院是偏向私人的读书场所,合浦出现具有明显教育性质的书院则在明代嘉靖初年,乃时任廉州知府韩莺所建之海天书院。海天书院建成后,韩莺延请居于本地的廷谪御史陈逅主讲理学“以教廉士”,合浦“多士翕然从之,亦一时之盛”。海天书院建成后,合浦又于嘉靖二十四年(1545年)和万历二十年(1592年)增建尚志书院与和融书院,皆为时任廉州知府修建。崇祯年间,尚志书院与和融书院同本地的府学、县学、社学一道,构成合浦地方教育体系,为本地教育的进一步发展奠定基础。

  明清之交,合浦久历兵灾,社会动荡。清顺治四年(1647年)后合浦归治于清,康熙六十年版的《廉州府志》记载当时合浦“所见者荒烟蔓草,所接者鸠形鹄面,所谓非人非鬼之地。”清初,由于朝廷严禁书院,加上长年战乱,合浦的教育事业大为倒退,本地科考“童子试每寥寥数人或十余人”。康熙中期以后,书院之禁渐弛,合浦地方官渐崇文教:康熙二十三年(1684年),合浦知县杨昶鼎捐俸建联珠讲院;康熙二十九年(1690年),知府董昭祚建天南书院;康熙四十年(1701年),廉营游击李奕桂捐资建又了义学;康熙四十五年(1706年),知府施世骥在海天书院基础上建还珠书院。

  这一时期的合浦官府进一步加强对本地书院的扶持,开始为其配制学田。康熙六十年版《廉州府志》记载:知县杨昶鼎建联珠讲院时,首为本县书院建店铺置田亩,令其所得“以为义学各项之需”;还珠书院建后,知府徐成栋也为之增精舍置学田。在官府的重视下,书院在合浦教育中的地位得到加强,时称“学宫书院,关联最巨”。与此同时,书院进一步承担为合浦“训士”的任务。联珠讲院“建义学师,教训多士”,天南书院“训士三载”,而还珠书院“训士十七年不辍”,待其重建后,“士争趋之”。贡生是被选入朝廷国子监读书的秀才,地区贡生数量一定程度上可以反映当地的教育状况。根据康熙六十年版《廉州府志》的记载统计:崇祯年间的合浦贡生年均1.9人,顺治年间骤跌至0.6人,至康熙年间则恢复到0.8人,足证合浦文教恢复,书院积年“训士”之功。

  嘉庆以后,合浦陆续出现由民间自行集资创办的书院。嘉庆初,地方绅民合办奎峰书院。嘉庆末年,鉴于康熙年间所建联珠、还珠等书院皆废,为补合浦书院之缺,邑民彭汉光等自行筹资,于嘉庆二十一年(1816年)创办廉湖书院,并置学田以资诸生膏火。次年邑民李遇春等也自行筹资,创办珠场书院,并置学田以年入为诸生膏火。道光年间,邑民王志文(字珠海)、岑大镛(字瀛洲)集资合办书院,并取二人之字命名新书院为珠瀛书院。嘉道以后,合浦的书院多为本地绅民所建。珠瀛书院的出现及其命名,体现了嘉庆以后合浦社会的整体发展,民间的文化自觉大为提高,他们开始关注家乡的文教发展,纷纷自行办学,并逐渐成为地方办学的重要力量。同治、光绪年间,合浦书院数量快速增加,累计创建的书院数量超过前代总和,其中多为民办书院,书院的大规模出现使得合浦的书院教育达到前朝未及的程度。

  福江书院的修建背景可让今人一窥当年合浦乡民的办学之心,据《新建福江书院碑文》记载:“圣朝道光年间,福旺(今浦北县福旺镇)地方父老绅士,深感廉湖、珠江各乡能别立书院,培育士子,文风鼎盛。而我福旺距离县城(合浦县城)数百里,每考官课,士子跋涉往来,不胜其苦……咸丰七年,乡绅谢傅岩、吴德堂等联名具呈廉州府尊,请求准予于福旺建置书院……发起建置书院部捐,提出有捐钱百千者及格外鼎力者,皆得立禄位于书院享祀,此举甚孚众望,一呼百应,不弥月即捐的三千六百余缗。”

  与此同时,合浦书院教育迅速发展的背后却是难以掩饰的疲态。据《新建珠厂社学碑记》记载,合浦书院的疲态早在嘉庆末年便初见端倪,时任廉州知府何天衢曾对合浦诸生训言道:“(书院中人)抑徒苟慕于会文甲乙,无实之虚名,及区区膏火之微利乎……(书院)月课季考,一曝十寒,就试者抄袭雷同,草草敷衍。而校者亦第视为具文,无所匡正。”对此在场的诸生“咸唯唯而退”。晚清时期,不仅是书院教育,中国传统教育也在整体上呈现出衰落的趋势。对此,清政府于道光三十年(1850年)严旨整顿官学:“著各省学政,严行考校……督率各生勤加讲课,以整学规,勿任虚穈廪饩也。”虽朝廷严令整顿,但传统教育衰势难阻。光绪年间,合浦书院“文风渐趋繁褥”。

  合浦官民对本地书院存在的问题也有所察觉。咸丰十年(1860年)创办的福江书院就以严格考纪规正学风:“生童课卷有全部抄袭雷同者,立即除名。经文中雷同十句以上诗中雷同四三句以上,即行暂记。”光绪十五年(1889年),廉州知府刘齐浔建味经书院,希望新书院能培养出关心时务的经世人才。为此刘齐浔“购四部经籍及时务诸书供生徒浏览”,并规定味经书院“以经史理性,词章时务命题,讲究根底之学,储有用之才。”甲午战败后,合浦多任地方官极重本地文教。其中光绪二十四年(1898年)到任的知县邓悼堂对书院教育十分重视,“时召诸生讨论,每遇书院课卷必亲评阅。”

  进入19世纪中晚期,合浦官民曾通过一些措施匡补本地书院之弊,但此时书院教育已明显难以适应中国社会整体发展的需要,小修小补不能在根本上解决本地书院教育面临的问题。庚子国变后,清政府推行新政,决意改革教育,合浦书院则在弥漫全国的改革浪潮中迎来转变。

图片说明:
1.大廉山 刘忠焕 摄

2.海门书院旧址 (合浦县文物保护中心提供)

(来源:北海日报 黄才智 庞济燎)

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