中微子地球演化理论

张国文

E-mail: mengke130@sohu.com

（武汉市洪山区人民政府   430070）

2004,6 公布于潜科学网站

 内

摘要：本文透过地球表面的岩石圈，深入地球内部，从研究地球内部的圈层结构入手，通过类比推理和大量的地球（行星）事实分析，揭示了地球（行星）演化的能量来源，提出了中微子地球演化理论。该理论用全新的观点系统地解释了板块运动的动力机制、地球内部圈层构造的成因、陆壳与洋壳的差异、地球磁场的起源、月球环形山的形成等一系列让人困惑的问题。

关键词： 地球演化  能源  板块运动  地磁起源  中微子  慢中微子

 1、引言

20世纪初,德国青年气象学家（A.L.Wegener）提出了大陆漂移说（1912年）,认为我们脚下的大地犹如漂浮在大海上面的船,正在缓慢地移动着。现代科学已经证明了魏格纳的猜想,但是, 是什么力量（能量）在驱动大陆的漂移，人们至今也没有完全弄清楚。不仅如此，迄今，我们所熟知的一些地球运动和现象，如地球磁场的形成和维持、钱德勒晃动以及地球自转的其他不均匀运动、地震和火山活动、地球内部的分层和热运动、地热流的释放等的能量来源都没有十分确切的答案。然而，在地球的形成和一系列演化过程中，能量的产生、迁移、转化和消化起着决定性的作用。可以说，找到了地球演化的能量来源就等于解决了地球科学的主要问题。本文通过研究太阳中微子和地球内部的构造,提出了中微子地球演化理论,为揭开大陆漂移之谜提供了一种全新的思路和线索。

2、地球内部圈层构造的成因

我们知道,地球的内部和其外层大气虽然在相态、密度和化学组成等方面有较大差异，但是它们却有一个共同点，即都呈现圈层结构。这一现象并非是偶然的巧合，它们的圈层构造或许有着相同或相近的形成机理。

2.1、大气圈层构造的形成

研究表明，地球大气的温度、组成和电离程度等随海拔高度而变化，呈现出明显的圈层结构。如果按大气温度随高度的变化分，则可把大气层分为对流层、平流层、中间层和热层；如果按大气的组成状况分，则可把大气层分为均质层和非均质层（在均质层中还包含着一个臭氧层）；如果按大气的电离程度分，则可将大气层分为中性层和电离层。大气的这种圈层结构是由于各种宇宙射线和不同频率的太阳辐射，分别在不同的高度与大气物质作用的结果。例如高层大气物质吸收带电的粒子，形成电离层（ionosphere）；在距地面10-50公里处，大气吸收紫外线，形成臭氧层（ozone layer）；在靠近地表的底层，大气吸收可见光和红外线，形成对流层（troposphere）等等。当然，大气层的圈层构造并不是一成不变的，而是随着宇宙线和太阳光的强弱而发生起伏变化。例如，经过整整一个白天太阳辐射的影响，电离层在黄昏时最强；在夜晚太阳辐射消失，一些离子便与电子复合而使电离层变弱，至黎明电离层最弱。因此，如果没有宇宙射线和太阳辐射的维持,大气分子的热运动将导致大气层逐渐变成均匀体,大气的圈层结构就会完全消失。^[1]

2.2、中微子性质研究

同样地,我们认为地球内部的圈层结构也起源于外部粒子（或射线）与地球物质的作用。如果没有外部输入的能量的维持,地球的内部圈层结构就不可能形成，并在漫长的地质年代保持相对稳定。那么,是什么粒子或者宇宙射线能深入到地球内部并且供给地球能量呢?

这样的粒子或射线必须满足两个条件：一是其穿透性极强，能够轻松地进入地球内部；二是其通量足够大，能够为地球演化提供所必须的能量。通过对各种基本粒子和宇宙射线进行研究，我们发现，只有太阳中微子满足这两个条件。

中微子（neutrino）是奥地利物理学家泡利（W.Pauli）预言的一种不带电、静止质量极小或为零的中性小粒子（1930）。H.Bethe和R.Peierls经过估算得出中微子在原子核上浮获的截面约为10^-43厘米/核子（1934）。柯温和莱因斯通过核反应堆发出的反中微子与质子碰撞证明了中微子的存在（1956），实验探测到的中微子的反应截面与H.Bethe和R.Peierls的估算基本吻合。据此，物理学家认为绝大多数中微子能够轻而易举地穿过地球以及其他任何行星和恒星。

太阳的能量来自太阳内部的热核反应,主要是氢（质子）的核聚变，这种反应同时产生大量中微子，向四周辐射。标准理论预言，在由四个质子（P）转变成一个氦原子核的过程中要释放两个中微子。太阳中微子抵达地球表面时的通量为:^[2]

F（υ）=2L_⊙/[25（MeV）×4π（A）²]≈3.5×10¹²（中微子∙厘米^-2∙秒^-1）

到达地球的太阳中微子总能量为：

E = F（υ）×每个中微子的能量

=3.5×10¹²中微子∙厘米^-2∙秒^-1×0.42MeV中微子^-1

=1.47×10¹²MeV∙厘米^-2∙秒^-1

一年内到达地球的太阳中微子的能量为：

E′= E×地球横截面积×一年的时间

   =1.47×10¹²MeV∙厘米^-2∙秒^-1×πr²厘米²×（365.25×24×60×60）秒

   =5.925×10³⁷ MeV=9.48×10²⁴焦耳

这个能量是地球每年以火山、地震和地表热流等形式消耗能量（约1.066×10²¹焦耳）的数千倍。所以，只要有千分之零点几的中微子被地球吸收，就足以为地球的各种演化提供能量。

中微子是一种幽灵般的神秘粒子。迄今为止，人们对中微子的研究都是间接的，有关中微子的性质也都是间接获得的，因而并非是确定性的。如中微子是否有质量，是否有磁距？中微子能否发生振荡？物理学家仍是仁者见仁，智者见智。

为了弄清中微子的性质，这里我们将中微子与中子进行类比。之所以将中微子与中子类比，是因为它们都是原子内的中性粒子。费米(Enrico Fermi)（1934）发现，中子与带电粒子相比，有一个非常独特的性质，即运动速度快的中子反应截面反而小，运动速度慢的中子反应截面反而大。例如，用快中子轰击各种元素时所引起的反应并不显著，但是当让快中子经过含氢的石蜡或水，使快中子减速变成慢（热）中子后轰击元素时，反应截面会大大增强。现在的核反应堆为了增大中子的反应截面，都使用慢化剂，以降低中子的速度。例如，经过慢化的与室温环境平衡的中子叫热中子，它的能量为0.0253电子伏，速度为2200米/秒，它引起²³⁵U裂变的截面高达582靶（1靶为10^-24平方厘米），而裂变所放出的快中子，平均能量约为2兆电子伏，它引起²³⁵U裂变的截面仅有大约1靶。慢中子之所以较快中子容易参与反应，是因为运动速度慢的中子有更多的机会被原子核俘获。目前在核反应堆中使用慢化剂就是依据的这个原理。

据此我们也可以想见，当中微子被减速，使其运动速度（或频率）慢到与原子核内的中微子相近时，它便更容易参与反应（弱相互作用）。因此中微子应该有与中子相似的特性，即快中微子或者说高频率的中微子反应截面较小（不易与物质作用），但是经过一定物质散射、减速，频率变低或速度变慢的中微子反应截面则较大（容易与物质发生作用）。如果中微子果真有这些特性，那么地球演化中的许多现象就可以得到合理的解释。

2.3、地球内部圈层结构的形成

来自太阳的快中微子进入地球后,就被地球物质散射、减速而消耗能量,慢慢地就变成频率或速度与原子核中的中微子相近的慢（热）中微子，最后被地球物质吸收，并释放能量。

由于太阳中微子的速度(能量)不同,而且各种能量的太阳中微子的分布也不均匀，即处于某种能量的中微子相对多一些，而处在另一种能量的中微子则要少一些，所以它们被减速、吸收的位置和形成的热效应也不一样,于是就形成了地球内部的圈层结构。少量太阳中微子能量较低，经过岩石圈（lithosphere）减速就变成了慢（热）中微子，并与岩石圈以下的物质作用，释放一定能量，使少量物质熔融，形成软流层（asthenosphere）。

由于中微子有磁距，所以中微子快速度运动时，必然产生电磁场，辐射到周围，同时中微子在海洋中的运动速度等于（或接近）光速，大于光在海水中的传播速度（光在海水中的传播速度为u=c/n=c/1.333=0.75c,其中，c为真空中的光速，n是光在水中的折射率）。于是，在透明的海水中产生契伦科夫辐射（Cerenkov radiation）,消耗部分能量。这是中微子除了被物质的原子与电子等散射外而额外消耗的能量。所以，在大洋下面，中微子经过较短的距离就能够变成慢（热）中微子，被物质吸收，释放能量，导致洋壳（oceanic crust）较陆壳（continental crust）薄，大洋下面的软流层上移。

多数快中微子必须经过整个岩石圈和地幔才能被减速成慢（热）中微子，在地表以下2900—5050公里处被吸收，释放巨大能量，导致物质熔融，形成液态外核。液态外核产生磁场，进一步加剧中微子的减速和吸收，释放更大的能量，这个能量又加剧了外核的熔融，这就是液态外核形成的根本原因。

 3、中微子的热效应和地球的运动

3.1、中微子与地球物质的作用

太阳中微子进入地球后，将与地球物质发生一系列复杂作用，归纳起来可能有如下几种：^[3]

康普顿散射：ν(高能) + e^-（低能） →ν（低能） + e^-(高能)

中微子生电子效应：ν + (Z,A) → e^- + (Z+1,A)

中微子韧致辐射：e^- + (Z,A) → e^- + (Z,A) +ν+

中微子对湮灭生成光子：ν+ → γ（光子）

中微子对湮灭生成电子对：ν+   → e⁺ + e^-

电子俘获：  + e^-  + (Z+1,A) → (Z,A)

其中，(Z,A)表示核子数为A，原子序数为Z的元素。

通过上述各种作用，太阳中微子把能量源源不断地传给了地球物质，由是导致了地球的各种运动和一系列演化。

3.2、板块运动的机制

中微子的最大吸收处是外核，大量太阳中微子在此处被源源不断地吸收而释放能量，结果外核成为整个地球的能量源泉。这个能量源泉也是大陆漂移的动力来源。具体地讲：

    第一,少量来自太阳的中微子在岩石圈的上地幔（upper mantle）被吸收，释放一定的能量，使此处的物质熔融，形成一个具有流动性的软流层。坚硬的岩石板块就“漂浮”在这个具有流动性的软流层上。软流层的作用类似润滑剂，可以大大降低岩石板块和整个地幔之间的摩擦力。这样，当有一个足够的横向（水平）力强加在岩石板块上时，岩石板块就能够相对地幔发生移动。

第二,大量太阳中微子在地球外核被吸收，释放出巨大的能量，结果地球内部物质达到极高温度而膨胀。膨胀力撕裂地幔，高温熔融物质从裂缝向上流，在达到软流层时，变为水平方向流动，并呈放射状扩散开去。扩散的流体在水平方向强加岩石板块一个巨大的粘拖力，拉动板块移动，从而使附着在岩石板块上的大陆发生漂移。这一步与热地幔柱模式相类似。

在大洋中脊，地球内部热物质上涌，会填充到板块移动后所形成的裂缝间而形成新的洋壳。新洋壳与老洋壳板块焊接在一起继续漂移，在原来裂缝处又产生新的裂缝，地球内部热物质又溢出再形成新的洋壳，新洋壳与老洋壳又一起漂移，于是又出现新的裂缝，如此反复，就形成了海底岩石年龄的条带状分布。

3.3、地球磁场的形成

由于地球在不断地自转，所以在不同的时间抵达液态外核各处的太阳中微子并非完全一样；向着太阳一面的外核有大量的太阳中微子进入，而背着太阳的一面的外核则几乎没有太阳中微子进入，所以地球外核各处吸收的太阳中微子也不完全相同，由是导致外核的能量分布不均匀，亦即在外核存在温差，吸收中微子多的一面温度高，吸收中微子少的一面温度低。这一温差必然导致外核液态物质从一面流向另一面，从而形成了绕地轴的环流。液态外核的环流牵引着带电粒子运动，于是就产生了电流和磁场。

由于地球内部熔融物质的环流跟大气层的空气（风）流动一样，是由温度差或压力差造成的，所以它的环流方向和速率也跟风一样在不断地发生变化。也就是说，地球内部的热环流既可以绕自转轴由东向西流，又可以由西向东流。热环流的方向改变了，其电流方向也随之发生变化，这样磁场就发生了倒转（南北极互换）。在地球表面，空气的粘度极小，约为10^-5泊，  空气绕地球一周所花的时间为数天至数星期，所以天气和风向的变化周期一般为数天至数星期。而地球内部物质的粘度比空气要大得多（如熔融铁的粘度约为10⁵  泊），所以地球内部熔融物质环流方向的变化周期也相当长，以万年或十万年计。

另外，当液态外核的环流产生磁场后，地磁场将会反作用于带电的外核物质，使外核物质的环流方向偏离原来的方向，进而使整个磁场的方向也发生变化，由是导致了地球磁极的不断漂移。

假设起始时外核液态物质环流速度为U₁，对应的地磁场为B₁；B₁反作用液态物质中的游离电子，使游离电子以速度U₂沿磁力线方向的反向运动，游离电子的运动又带动带正电的原子核运动，从而迫使整个外核液态物质沿磁力线方向的反向运动。这样整个外核物质的环流方向就发生了偏移，如图所示，偏移后所形成环流速度U₃由U₁和 U₂所决定。也就是说U₃是U₁和 U₂的矢量合成，即U₃=U₁+U₂。由于磁场是由带电液态外核环流所产生的，环流方向发生了偏移，磁场也会改变方向，即形成了新的磁场B₂。反映在地球上就是磁极发生了移动（如图）。U₃对应的B₂又会作用外核液态物质，使环流速度再次发生偏移，又形成一个新的环流U₄，U₃与 U₄合成U₅，即 U₅= U₃ +U₄，U₅又产生磁场B₃……如此反复，便导致了磁场的不断变化和磁极的不断漂移。

4、太阳中微子被吸收的证据

中微子地球演化理论提出了许多新观点和预言，但是，最关键最根本的是预言了中微子能够被地球（行星）物质吸收。这个预言也是中微子地球演化理论的前提和基础。因此，检验这个预言是否正确，就是检验中微子演化理论是否正确。

4.1、实验证据

为了检验太阳中微子能否被地球（或其他天体）吸收，可以设计如下实验方案。

对深水下或废弃的矿井下探测太阳中微子的实验装置进行改造，使实验装置对太阳中微子的检验具有定向性和记时功能。这样，经过一段时间的实验，如果太阳中微子能够被地球物质大幅度吸收，那么就会得到这样的实验结果：白天有太阳中微子通过探测装置，夜间没有太阳中微子通过探测装置。否则，白天和夜间探测到的中微子数将基本相等。

当然，由于放射性元素也能产生中微子，所以地球本身也是一个中微子源。^[4]但是地球所产生的中微子的通量远远小于太阳中微子的通量，因此考虑到地球中微子的背景作用，如果太阳中微子能够被地球吸收，那么白昼探测到的中微子数将远远大于夜间探测到的中微子数。否则，就不能证明太阳中微子被地球物质吸收了。

日本东京大学宇宙射线研究所的研究人员1997年7月29日在德国汉堡召开的基本粒子国际研讨会上报告说，他们探测了来自太阳的电子中微子共4400例，其数量只有理论预期的37%；探测了进入大气的宇宙线产生的中微子3000例，大气中微子从正上方飞来时，其数量与理论值基本相同，而从下方（即从地球的另一面穿过地球）飞来时，其数量只有理论值的一半。日本超级神冈探测器探测了进入大气的宇宙线产生的μ中微子,研究人员在1998年6月12日出版的美国《科学》杂志上报告说，在535天中，他们共捕获了256个μ中微子，只有理论值的60%；从下方（即从地球的另一面穿过地球）飞来的μ中微子，只有139个，其数量只有理论值的50%。

据此，一些研究人员认为，从地球下方飞来的中微子飞行的距离较长，一部分中微子在飞行的过程中发生了振荡，变成了探测不到的别的中微子，因而其数量有损失。然而，这只是一种猜测，最多只能算作一个间接的证明，人们并没有用实验证实一种中微子能够变成另一种中微子。

其实，我们也可以理解为，从地球下方飞来的中微子飞行的距离较长，因而被减速变成慢中微子后被地球物质吸收了。我们在夜间探测到的那部分中微子是其他恒星和地球所产生的中微子。

4.2、微子被其他天体吸收的证据

中微子之所以能够被地球物质吸收，其原因就在于它入射地球后，被地球物质的原子和电子散射，消耗了能量。对于一般行星而言，它们的原子和电子同样能散射中微子，消耗中微子的能量，因而中微子也应该能够被行星物质吸收。

当然，中微子被行星物质大幅度吸收必须满足一定的条件，那就是行星中必须有足够的原子和电子散射中微子，使中微子减速变成易于被物质吸收的慢中微子。要保证有足够多的原子和电子，其一是行星的直径（或体积）必须满足一定的值，其二是行星的密度不能太小。如果行星的直径太短，密度太小，那么当中微子穿过行星时，与中微子作用的原子和电子的数量就不够多，中微子的能量消耗就不足以使其变成易于被吸收的慢中微子。这时，中微子就会畅通无阻地穿过行星而不被吸收。如果行星的直径和密度达到一定值，使得与中微子发生作用（散射）的原子和电子足够多，那么中微子就可以被减速变成慢中微子，从而被行星物质吸收。因此中微子被行星物质吸收的条件是，行星的直径和密度必须达到一定的值。这里我们可以用行星的直径（D）与密度（ρ）的乘积（D∙ρ）来表示，即行星能够大幅度吸收中微子的条件是：

D∙ρ≥K

其中K为某一定值，也就是行星大幅度吸收中微子的临界值。

对于地球来说，我们已经知道，其大幅度吸收中微子的地方在地表下2900—5050km的外核。2900km是地幔与外核的交界处，也是中微子在地球内部的最小射程，地幔的平均密度为4.4×10³kg/m³，所以可以求得上述临界值为：

K= D∙ρ=2900km×4.4×10³kg/m³=1.27×10¹⁰kg/m²

为了便于与下面的临界值区分，这里我们称K为小临界值。

由于中微子在外核基本被全部吸收了，所以中微子在地球内部的最大射程是距地表5050km的外核与内核交界处，外核的密度为10.9×10³kg/m³，所以中微子在行星内部被全部吸收的临界值为：

K′= D∙ρ=2900km×4.4×10³kg/m³+（2900-5050）km×10.9×10³kg/m³

   =3.61×10¹⁰kg/m²     这里K′为大临界值。

如果某一天体的直径与其密度的乘积界于小临界值K与大临界值K′之间，那么可以预见，中微子从一侧进入天体，就会在天体另一侧的表面与物质发生作用，引起天体表面物质熔融，从而在该天体的表面留下痕迹。下表列出了一些天体的直径与其密度的乘积，从中可以看出，除了冥王星以外，其他行星的Dρ值均大于小临界值K，月球的Dρ值也接近K值，所以除了冥王星外，其他行星和月球都可以吸收中微子。

由于水星、火星和月球等天体的直径与其密度的乘积Dρ值正好处在大、小临界值（K与K′）之间，所以中微子可以在水星、火星和月球等天体表面被物质显著吸收，因此在这些天体的表面一定留有物质熔融的痕迹。通过研究，我们发现水星、火星和月球等天体上的环形山（crater）就是其表面物质熔融向并下渗透或塌陷而形成的。这些环形山大小不一，大的直径数百公里，小的只有几米，甚至几厘米。^[3]目前，一般认为，行星和卫星上的环形山是陨石坑，即是由小天体或陨石撞击所形成的。但是这一观点解释不了一些极为简单的事实。（1）如果环形山是由陨石撞击而形成的，那么各天体上的陨石坑的形状应该是相似的。可是研究表明月球上的环形山与地球上的陨石坑很不相同。月球上的环形山比地球上的陨石坑既大得多，又规则得多。由于陨石坑是由陨石从各种角度撞击地面造成的，所以地球上的陨石坑具有不同的倾斜度和不规则的形状，但月球上的环形山则都是正圆形的。（2）为什么同为固体天体的金星和地球与水星、火星和月球相比，环形山十分稀少？（3）两块陨石在不同的时间撞击同一天体的同一地点的几率为零。但是月球上环形山中套环形山的现象比比皆是。（4）月球环形山四周的梯层结构和其底部的月隙（月谷）是常见的现象，它们是熔融物质侵蚀和下渗所引起的。陨石撞击不可能引起这种效应。

笔者认为，环形山是中微子在天体表面与物质作用而形成的。由于各个天体的内部结构不均匀，密度大小各处也不一样，所以当太阳中微子穿过天体较致密的部分时，经过较短的路程就被减速成为慢中微子了，当中微子穿过天体密度较小的部分时，需要经过较长 的路程才能被减速成为慢中微子。这样，中微子与天体物质发生作用的地方就不完全一样，有些中微子在天体内部深处与物质作用，有些中微子则穿过天体不与物质作用，有些中微子则正好在天体表面与物质作用，从而引起天体表面的物质下陷和下渗，于是就形成了大大小小的环形山。

太阳系九大行星和月球的直径与其密度的乘积

 当然，环形山的形成应是日积月累的结果，而决非一时所成，直到现在，一些环形山也应还在形成之中。同时，环形山的形成过程是一个剧烈和大面积物质熔融过程。在这个过程之中，必定会产生一些射电现象，发出红外线甚至可见光。像月球这样离我们很近的天体，如果有这样的发光现象，我们人类一定会有所察觉。事实确实如此。到目前为止，人们已观察到月球发光现象数以千计，^[5]只是人们一直不知道这些发光现象的真正来源而已。

5、结束语

本文所提出的理论还只是一种假说， 有待实验进一步地验证。该理论能否被广泛接受，关键在于对中微子性质的理解和探索，目前普遍认为中微子只参与弱相互作用，其反应截面非常小，它们能够轻而易举地穿过地球。然而，这种观点既没有可靠的理论依据，也没有得到实验的完全证实。第一，中微子有没有质量和磁距，现在还没有定论。虽然现代粒子物理理论就是建立在中微子没有质量的基础上的,但是今天越来越多的理论和实验都暗示中微子应该有质量，如大统一理论和中微子振荡理论及实验等等。第二，关于中微子的反应截面问题，理论计算中也有许多人为取舍和选择，尤其是理论计算中所考虑的一个关键因素——阀能问题，在中微子给地球提供能量时完全可以不予考虑。因为像中微子参与的康普顿散射和中微子对湮灭等反应，根本就不需要阀能，更何况地球内部物质处在高温、高压和等离子状态，这种环境就更无须考虑阀能问题了。退一步讲，即使理论计算逻辑性很强，并且非常精确，也不能保证它与实验完全相符，因为实际的环境条件是我们无法完全考虑到的。同样为中性粒子的中子的理论反应截面与实验反应截面存在的巨大差异就是最好的明证。

中微子地球演化理论也许还有这样或那样的不足，但是与现存的所有地球科学理论相比，该理论是最经济、最简洁的，她只用了一个小小的中微子，就把地球和行星以及卫星上众多的错综复杂的看似毫不相干的现象联系起来作出了自恰地统一的解释。仅此一点，该理论也有其存在的价值。当然，也许还有其他未知的粒子为地球演化的提供了能量，我们目前还不知道，但是不论怎样，所有的粒子为地球提供能量的原理或机制则是基本相同的。

主要参考文献

[1]、中国大百科全书  固体地球物理学 测绘学 空间科学   中国大百科全书出版社，1985，P186-187，211-218，221-222。

[2]、李宗伟  肖兴华 编著，普通天体物理学。北京：高等教育出版社，1992，P185-186

[3]、中国大百科全书  天文学    中国大百科全书出版社，1980，P165，332，528-530，577-588。

[4]、L.M.Krauss等，反中微子天文学和地球物理学，世界科学，1985（3）。（Nature 1984年第310卷，P191-198）。

[5]、S.J.英格利斯，行星、恒星、星系.北京：科学出版社，1979，P141-144。

[6]、张国文，中微子地球动力理论，见中国地球物理学会年刊（1996），北京：中国建材出版社，1996，P314。

[7]、张国文，中微子地球演化说——探索地球起源与演化的奥秘，武汉：武汉测绘科技大学出版社，1999。

[8]、孙汉成，中微子之谜，长沙：湖南教育出版社，1993。

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 作者简介：张国文，1963年生，武汉工业大学大学毕业，现为公务员，中国地球物理学会会员。业余从事科学研究，在《中国地球物理学会年刊》、《中国建材科学院学报》和《哈尔滨工业大学学报》等学术刊物上发表论文15篇，发表科普文章50余篇，出专著1部。