很多人都知道北京大钟寺和那里的大钟。如果对大钟重重一击,钟就会发出嗡嗡的轰响。钟的结构不同,它所奏出的音乐的音调和音色都不相同。实际上,有经验的技师可以通过钟的音调和音色,来判断钟的结构和结构中的缺陷。
如果把地球比做一个大钟,那么地球也有类似的现象,只是一般的敲击对地球这个巨大的"钟"来说实在是太小,要让地球发出轰响,只有用巨大地震来"敲击"它才行。
理论上,人们早就知道这个道理。泊松(S. D. Poisson) 在1829年、兰姆(H. Lamb)在1882年、勒夫(A. E. H. Love)在1911年都从数学的角度预测了这一现象的存在。只是在那时,地震学家并没有"聆听"地球的"音乐"的设备,所以理论上的预测无法得到观测的证实。
大地震发生时,地球如同一个巨大的钟被重击一下,激发出各种音调(频率)的振动,余音缭绕,这对音乐爱好者贝尼奥夫(H. Benioff)来说具有特殊的吸引力。贝尼奥夫在音乐方面也许只是爱好,但在"聆听"地球的"音乐"方面却堪称顶尖级的专家。他发明的应变地震仪,是"倾听"地震和环境造成的地面运动的最好的仪器之一。他相信用他的仪器,可以"听"得见前面所描述的地球的"音乐",这种"音乐",地球物理学中称为"地球自由振荡"。
1952年11月4日,堪察加发生了一次大地震。在贝尼奥夫的应变地震仪上,果然记到了两种不同音调的长周期波动,一种波动的周期是57分钟,另一种波动的周期是100分钟。这使贝尼奥夫很高兴。可是,在以后的几年时间里,再没有类似的结果报道。人们对贝尼奥夫1952年的观测结果也将信将疑。看来贝尼奥夫要想说服人们相信他的结果,还不得不耐心地再等待一段时间。
[注:这是自然科学的一个独特的价值观念:一项成果要得到承认,必须具有可重复性,不能被重复的结果,即使是大师级的科学家做出的,人们也照样要怀疑。表面上看,科学家这么做真是"保守"得可以,但是,正是科学家的这种"保守",才使得江湖骗局在科学界没有立足之地。]
其实,怀疑的科学家们绝不是无所作为。就在这期间,有很多科学家在观测和理论方面,做了大量基础性和准备性的工作。由于当时还没有像样的计算机可以使用,所以计算地球自由振荡的"音调",调动了当时几乎是能力最强的人才和几乎是最先进的计算设备。在这些顶尖级的人才的行列中有斯利克特(L. B. Slichter)和普瑞斯(F. Press), 他们对地球科学的贡献使南极大陆上的两座山后来分别以他们的名字命名;还有尤温(M. Ewing), 在地球物理勘探领域和海洋地球物理领域中没有尤温,就像在金庸小说中没有令狐冲一样。
[注:尽管从现在的观点看,当时的计算机非常笨拙,但计算机的出现还是有力地促进了地球自由振荡的研究]
当时,人们已经可以从理论上计算出,地球作为一个整体,可以具有两种不同的振荡方式,一种叫"环型振荡",一种叫"球形振荡"。环型振荡又叫??不能影响重力场。
地震能够引起地球的振动,这是大家都知道的事情。但地球的自由振荡有它的特殊性:它是地球整体的、低频的振动。因此可以想见,要使地球整体都振动起来,"打击力"必须足够大。如果打击的"力度"不够,你只能听到声音较小的、同时也比较高频的振动--在地震学中,这就是人们知道的面波。因此,贝尼奥夫需要等待的,实际上是两件事:一是使更多的人能够"听得见"地球自由振荡的仪器--最好是与应变地震仪不同的、与应变地震仪可以相互参照的仪器;二是足以"制造"出地球的自由振荡的大地震。前者是可以通过科学界的努力来"加速"的,而后者则必须等待大自然的"恩赐",有道是:
此曲应是地下有,人间难得几回闻。
幸运的是,科学界和大自然都没有让贝尼奥夫等待太长的时间。1960年5月22日,智利发生了一次巨大地震(估计震级为8.9, 是20世纪最大的一次地震)。这次地震发生时,在贝尼奥夫的应变地震仪和其他研究小组的拉蒙特(Lamont)地震仪、摆式地震仪、长周期地震仪等不同的地震仪上,以及在拉柯斯特(La Coste-Romberg)重力仪上,同时记录到了地球自由振荡的信号。
1960年8月,国际地震学与地球内部物理学协会(IASPEI)在赫尔辛基开会。会上,普瑞斯(F. Press)宣布了贝尼奥夫的观测结果。接着,斯利克特(L. B. Slichter)宣布,他的研究集体也在拉柯斯特重力仪上独立地观测到类似的结果。两者当场比较,结果发现很多周期的信号十分吻合,但同时贝尼奥夫记到的某些周期在斯利克特的结果中看不到。派克里斯(C. L. Pekeris)早就对地球自由振荡进行过深入的理论研究。他把斯利克特的结果中"丢失"的周期研究了一番后告诉大家,这些周期就是他所计算的"环型振荡",而重力仪是记不到"环型振荡"的!两套独立的观测证据惊人地符合, 这一戏剧性的比较,成为地震学研究史上的一段佳话。
赫尔辛基会议结束之前,其他的独立观测结果也一一宣布。从一定意义上说,这是有准备的科学家抓住了大自然提供的一次百年不遇的机会。地球自由振荡的研究成为20世纪地震学研究的一个里程碑性的标志。
正如不同的原子结构对应着不同的原子光谱,不同的自由振荡谱也反映了不同的行星内部结构。因此地球自由振荡的观测结果,成为地震学家了解地球内部结构的一个强有力的工具。而地震学家就像一个有经验的钢琴调音师那样,从地球的"轰响"中"分辨出"了地球的内部结构。
科学家很快认识到这一方法也可以应用于对日球的内部结构的研究,不过日球的自由振荡不是由地震、而是由日球表面的爆发所激发的。人们把这一研究领域称为"日震学"。
[注: 地球自由振荡这一研究领域至今仍在发展之中。20世纪末21世纪初的一个新结果是,如果仔细地"聆听"地球的"呼吸",则可以发现不但地震、而且海洋和大气都能引起不同振型的自由振荡。这样,地震学家就找到了研究固体地球和海洋、大气层之间相互"耦合"的一种方法。同时,这一发现也提供了一种新的可能:本来研究地球的方法也可以应用到其他行星上去。但在一些行星上没有地震(地质构造意义上的"死"行星),同时其上的大气层又阻止了陨石的直接撞击(有"保护伞"的行星),这样一来,传统意义上的地震学就无法"施展拳脚"了。这种类型的"自由振荡"的发现,使地震学家在这样的行星上,也可以用地震学的方法来研究它的内部结构。