中微子地球演化說

  
中微子地球演化說

  中微子地球演化說是一種關于地球演化的科學假說。 1996 年,由青年學者張國文提出。
  地球演化的能源一直是一個懸而未解的問題。板塊運動和我們所熟知的其他一些地球運動和現象,如地球磁場的形成和維持、錢德勒晃動以及地球自轉的其他不均勻運動、地震和火山活動、地球內部的分層和熱運動、地熱流的釋放等的能量來源都沒有十分確切的答案。然而,在地球的形成和一系列演化過程中,能量的産生、遷移、轉化和消化起著決定性的作用。可以說,找到了地球演化的能量來源就等于解決了地球科學的主要問題。該學說認爲,地球演化的能源來源于太陽中微子。
  中微子( neutrino )是奧地利物理學家泡利( W.Pauli )預言的一種不帶電、靜止質量極小或爲零的中性小粒子( 1930 )。 H.Bethe 和 R.Peierls 經過估算得出中微子在原子核上浮獲的截面約爲 10 的負 43 次方厘米 / 核子( 1934 )。柯溫和萊因斯通過核反應堆發出的反中微子與質子碰撞證明了中微子的存在( 1956 ),實驗探測到的中微子的反應截面與 H.Bethe 和 R.Peierls 的估算基本吻合。據此,物理學家認爲絕大多數中微子能夠輕而易舉地穿過地球以及其他任何行星和恒星。
  太陽內部的熱核反應在不斷地産生大量中微子,向四周輻射。標准理論預言,在由四個質子( P )轉變成一個氦原子核的過程中要釋放兩個中微子。據此可以推算,太陽中微子抵達地球表面時 , 每平方厘米每秒鍾約爲 660 億個。
  一年內到達地球的太陽中微子的能量爲: 1790 萬億億焦耳。這個能量是地球每年以火山、地震和地表熱流等形式消耗能量的 167 倍。所以,只要有百分之零點幾的中微子被地球吸收,就足以爲地球的各種演化提供能量。
  中微子地球演化說認爲,太陽中微子進入地球後,將與地球物質發生一系列複雜作用,歸納起來可能有如下幾種:
  1. 康普頓散射
  2. 中微子生電子效應
  3. 中微子韌致輻射
  4. 中微子對湮滅生成光子
  5. 中微子對湮滅生成電子對
  6. 電子俘獲
  快中微子或者說高頻率的中微子反應截面較小(不易與物質作用),當中微子被減速,使其運動速度(或頻率)慢到與原子核內的中微子相近時(此時中微子就變成了熱中微子),它便更容易參與反應(弱相互作用)。
  因此,太陽中微子進入地球,經過一定物質散射、減速,頻率變低或速度變慢的熱中微子,便與地球物質反應,提供地球演化的能量。
  中微子地球演化說不僅較好地解釋了板塊的運動、地磁的形成和磁極的漂移、 地球內部圈層構造 等一系列地球演化現象,而且還 能夠應用到其他行星和衛星,解釋一些我們認爲神秘的天體運動現象。
  關于板塊的動力機制: 中微子地球演化說認爲, 中微子的最大吸收處是外核,大量太陽中微子在此處被源源不斷地吸收而釋放能量,結果外核成爲整個地球的能量源泉。這個能量源泉也是大陸漂移的動力來源。具體地講:
  第一 , 少量來自太陽的中微子在岩石圈的上地幔( upper mantle )被吸收,釋放一定的能量,使此處的物質熔融,形成一個具有流動性的軟流層。堅硬的岩石板塊就「漂浮」在這個具有流動性的軟流層上。軟流層的作用類似潤滑劑,可以大大降低岩石板塊和整個地幔之間的摩擦力。這樣,當有一個足夠的橫向(水平)力強加在岩石板塊上時,岩石板塊就能夠相對地幔發生移動。
  第二 , 大量太陽中微子在地球外核被吸收,釋放出巨大的能量,結果地球內部物質達到極高溫度而膨脹。膨脹力撕裂地幔,高溫熔融物質從裂縫向上流,在達到軟流層時,變爲水平方向流動,並呈放射狀擴散開去。擴散的流體在水平方向強加岩石板塊一個巨大的粘拖力,拉動板塊移動,從而使附著在岩石板塊上的大陸發生漂移。這一步與熱地幔柱模式相類似。
  在大洋中脊,地球內部熱物質上湧,會填充到板塊移動後所形成的裂縫間而形成新的洋殼。新洋殼與老洋殼板塊焊接在一起繼續漂移,在原來裂縫處又産生新的裂縫,地球內部熱物質又溢出再形成新的洋殼,新洋殼與老洋殼又一起漂移,于是又出現新的裂縫,如此反複,就形成了海底岩石年齡的條帶狀分布。
  關于地球內部圈層構造: 中微子地球演化說認爲,地球內部的圈層結構與其大氣圈層一樣起源于外部粒子(或射線)的作用。
  研究表明,地球大氣的溫度、組成和電離程度等隨海拔高度而變化,呈現出明顯的圈層結構。如果按大氣溫度隨高度的變化分,則可把大氣層分爲對流層、平流層、中間層和熱層;如果按大氣的組成狀況分,則可把大氣層分爲均質層和非均質層(在均質層中還包含著一個臭氧層);如果按大氣的電離程度分,則可將大氣層分爲中性層和電離層。大氣的這種圈層結構是由于各種宇宙射線和不同頻率的太陽輻射,分別在不同的高度與大氣物質作用的結果。例如高層大氣物質吸收帶電的粒子,形成電離層( ionosphere );在距地面 10-50 公裏處,大氣吸收紫外線,形成臭氧層( ozone layer );在靠近地表的底層,大氣吸收可見光和紅外線,形成對流層( troposphere )等等。當然,大氣層的圈層構造並不是一成不變的,而是隨著宇宙線和太陽光的強弱而發生起伏變化。例如,經過整整一個白天太陽輻射的影響,電離層在黃昏時最強;在夜晚太陽輻射消失,一些離子便與電子複合而使電離層變弱,至黎明電離層最弱。因此,如果沒有宇宙射線和太陽輻射的維持 , 大氣分子的熱運動將導致大氣層逐漸變成均勻體 , 大氣的圈層結構就會完全消失。
  同樣地,如果沒有外部輸入的能量的維持 , 地球的內部圈層結構就不可能形成,並在漫長的地質年代保持相對穩定。那麽 , 是什麽粒子或者宇宙射線能深入到地球內部並且供給地球能量呢 ? 這個粒子就是太陽中微子。
  來自太陽的快中微子進入地球後 , 就被地球物質散射、減速而消耗能量 , 慢慢地就變成頻率或速度與原子核中的中微子相近的慢(熱)中微子,最後被地球物質吸收,並釋放能量。
  由于太陽中微子的速度 ( 能量 ) 不同 , 而且各種能量的太陽中微子的分布也不均勻,即處于某種能量的中微子相對多一些,而處在另一種能量的中微子則要少一些,所以它們被減速、吸收的位置和形成的熱效應也不一樣 , 于是就形成了地球內部的圈層結構。少量太陽中微子能量較低,經過岩石圈( lithosphere )減速就變成了慢(熱)中微子,並與岩石圈以下的物質作用,釋放一定能量,使少量物質熔融,形成軟流層( asthenosphere )。
  多數快中微子必須經過整個岩石圈和地幔才能被減速成慢(熱)中微子,在地表以下 2900 — 5050 公裏處被吸收,釋放巨大能量,導致物質熔融,形成液態外核。液態外核産生磁場,進一步加劇中微子的減速和吸收,釋放更大的能量,這個能量又加劇了外核的熔融,這就是液態外核形成的根本原因。
  5050公裏以下,中微子不能到達,故那裏物質保持固態。
  中微子地球演化說的證據: 中微子之所以能夠被地球物質吸收,其原因就在于它入射地球後,被地球物質的原子和電子散射,消耗了能量。對于一般天體而言,它們的原子和電子同樣能散射中微子,消耗中微子的能量,因而中微子也應該能夠被天體物質吸收。
  當然,中微子被天體物質大幅度吸收必須滿足一定的條件,那就是天體中必須有足夠的原子和電子散射中微子,使中微子減速變成易于被物質吸收的慢中微子。要保證有足夠多的原子和電子,其一,天體的直徑(或體積)必須滿足一定的值;其二,天體的密度不能太小。如果天體的直徑太短,密度太小,那麽當中微子穿過天體時,與中微子作用的原子和電子的數量就不夠多,中微子的能量消耗就不足以使其變成易于被吸收的慢中微子。這時,中微子就會暢通無阻地穿過天體而不被吸收。如果天體的直徑和密度達到一定值,使得與中微子發生作用(散射)的原子和電子足夠多,那麽中微子就可以被減速變成慢中微子,從而被天體物質吸收。因此中微子被天體物質吸收的條件是,天體的直徑和密度必須達到一定的值。這裏我們可以用天體的直徑( D )與密度(ρ)的乘積( D ρ)來表示,即天體能夠大幅度吸收中微子的條件是:
  D ρ≥ K
  其中 K 爲某一定值,也就是天體大幅度吸收中微子的臨界值。
  對于地球來說,我們已經知道,其大幅度吸收中微子的地方在地表下 2900 — 5050km 的外核。也就是說太陽中微子在地球內部的最小射程爲 2900km ,即在地幔與外核的交界處,在地球內部的最大射程爲 5050km ,即在外核與內核交界處。
  如果我們暫時不考慮天體的密度,那麽, 如果某一天體的直徑正好在 2900km —— 5050km 之間,那麽可以預見,中微子從一側進入天體,就會在天體另一側的表面與物質發生作用,引起天體表面物質熔融,從而在該天體的表面留下痕迹。
  考查太陽系各個天體,我們發現,水星、火星和月球等行星和衛星的直徑正好處在這個範圍。而這些天體表面最顯著的特點就是都存在大量的環形山。這些環形山正是太陽中微子的傑作。
  當太陽中微子從月球的一面進入月球,經過月球內部物質的散射、減速,到達另一面時,就會被月球表面物質吸收,並釋放熱量,致使月表物質熔融。
  熔融物質向下滲透,引起表面物質坍陷,于是就形成了所謂的環形山構造。由于太陽和月球的運動,中微子的輻射不可能在某一地點保持不變,當太陽和月球的位子發生變化厚後,原來發生熔融地方的中微子輻射就會減少,這時此處物質對中微子的吸收便逐漸終止,熔融的物質也開始凝固。然而,經過一個周期後,太陽和月球又會回到原來的相對位置,于是太陽中微子又在此處被物質吸收放熱,導致物質熔融,並再次引起表面物質坍陷,如此反複多次,就在月球表面形成了許多同心環結構。這種同心環結構是火山噴發和撞擊作用所無法形成的。
  當然,環形山和月海的形成,決非一日之功,而是日積月累的結果,直到現在一些環形山也應海在形成之中。環形山的形成過程是一個劇烈反應和大面積物質熔融的過程,在這個規模宏大的過程這中,必定會産生放電現象,發出各種可見光。同時,物質的熔融必然會導致大量氣體釋放,形成霧氣。由于這種物質熔融和發光等現象是由太陽中微子所引起的,當太陽和月球的相對位置發生變化後,這一現象即告終止,所以,物質熔融和發光等現象都比較短暫。這就是月球發光等短暫現象的來源。不過,由于許多短暫現象十分微弱,人類不可能觀察到,只有極少數發出明亮光芒的事件才爲人們所覺察。
  中微子地球演化說也許還有這樣或那樣的不足,但是與現存的所有地球科學理論相比,該理論是最經濟、最簡潔的,她只用了一個小小的中微子,就把地球和行星以及衛星上衆多的錯綜複雜的看似毫不相幹的現象聯系起來作出了自恰地統一的解釋。僅此一點,該理論也有其存在的價值。當然,也許還有其他未知的粒子爲地球演化的提供了能量,我們目前還不知道,但是不論怎樣,所有的粒子爲地球提供能量的原理或機制則是基本相同的。