作者:龎鈞翰

審定:鄭弼升、嚴天浩

韋格納的經歷

"哇!破紀錄了!破紀錄了!我們的氣象氣球調查儀器,已經在空中飛行超過52小時了!比之前的最長紀錄者,多了快17小時!"1906年,26歲的氣象學家阿爾弗雷德·韋格納(Alfred Wegener;以下簡稱韋格納)和他的哥哥庫爾特·韋格納(Kurt Wegener),代表他們工作的航空觀測站(Aeronautical Observatory),在德國中部舉辦的博登·班奈特氣球飛行賽(Gordon Bennett Contest for Free Balloons)中拿下冠軍,並且還破了世界紀錄!這是自從1905年(韋格納拿到柏林大學博士學位的隔年)韋格納從他天文學博士的老本行轉入大氣科學研究後,他再次突破自我地拿下的又一個卓越成就。

圖1 在格陵蘭操作氣象氣球的韋格納

圖片來源: 韋格納傳記 <Alfred Wegener: Creator of the Continental Drift Theory> 

圖2 駕駛熱氣球的韋格納、他哥哥、姐姐和愛妻愛絲

圖片來源:韋格納傳記 <Alfred Wegener: Creator of the Continental Drift Theory> 

 "天文學的研究真的是超級無聊的啊!只是一堆數學式再重新組合的東西,雖然在做博士論文研究時,研究日、月與地球的運動關係,來討論它們在航海活動上的應用還有點意思,但後續的我實在找不出什麼樂子。倒是氣象與氣候學的研究與調查真的好玩多了!"這位在研究上如日中天的火熱新人,竟說出了如此豪語!但其實,這也並不奇怪,從他日後所提出、對於世界影響重大的學說-”大陸漂移說”就可以看出,這位學界新星天馬行空的想像力與研究能量,實在是不容小覷的。

除了事業上的成就,為韋格納也在轉入氣象學領域後,於愛情方面有豐碩的收穫:1908年韋格納氣候學領域的前輩柯本(Wladimir Köppen)向韋格納介紹了自己當時16歲的女兒 - 愛絲(Else Köppen),愛絲馬上被這位充滿魅力的年輕小伙迷得神魂顛倒。"他那雙炯炯有神的藍灰色眼睛,是那副俊俏的、被北極的太陽與海水磨練的黝黑皮囊中,讓人感到沉醉的日光。",愛絲曾在他的回憶錄寫上這段話,來形容當時,被她父親從格陵蘭北極探險隊帶回來的帥小子。有著這般美好的印象,愛絲也在五年後,和韋格納成婚。韋格納夫婦的感情是如此的融洽,甚至夫婦倆的書信往來內容,也成了淬鍊成日後驚世的”大陸漂移"學說下筆的楔子。

圖3 1914~1915年左右,在馬堡市家中拍攝的的韋格納和愛妻愛絲

圖片來源: 韋格納傳記 <Alfred Wegener: Creator of the Continental Drift Theory> 

"我親愛的愛絲:...今年耶誕節,我收到了朋友送我的世界地圖...我驚訝地發現,南美洲東部與非洲西部地海岸線,他們的形狀異常地相符,會不會在很久以前,它們曾恰如其分地連接在一起(如圖5)呢?..."1910年的12月,韋格納在寫給未婚妻愛絲的、充滿甜言蜜語的書信 中,夾雜了這句意味深遠的(臨時想到的)玩笑話,但2年後,韋格納卻在學術會議上,讓這句話成為他名留汗青的佳句。

圖4 地圖上的南美洲與非洲大陸形狀以及位置

圖片來源:google map截圖

圖5 貌似可以貼合在一起的非洲與南美洲示意圖

圖片來源: www.publish.illinois.edu/platetectonics/continental-drift/

韋格納的發現

1911年的秋天某日,韋格納正如往常地在他所擔任教職的德國馬堡大學圖書館閱覽研究資料的時候,他意外地發現了一件驚人的事情-南美洲東部與非洲西部在兩億年前的許多生物化石,居然是大多是相同的!"會不會,在兩億年前,南美洲與非洲真的是黏在一起的...?" 韋格納想起了一年前寫給未婚妻的情書中,那句不經意的玩笑話可能是事實!"那這樣就有趣了,近20年前奧地利地質學者蘇斯(Eduard Suses),曾說在數億年前的由熔岩組成的滾燙地球終於開始冷卻,在冷卻、收縮後,今天在世界上的山河、大地以及各個陸塊才因此形成-因為冷卻的大地,被形容是烤過後,再冷卻的水果,所以,這個學說還被大家戲稱為'烤蘋果理論'呢!但的確,我一直覺得這個學說很怪,烤過蘋果的人都知道,蘋果烤完再冷卻的話,它的皺褶應該是隨機、甚至有點均勻地分布著(如圖6),但這些陸塊的地形、海岸線卻高高低低、崎嶇綿延,根本不像烤過的水果!

圖6. 蘇斯的烤蘋果理論認為,地球上的地形是地表上的熔岩冷卻後,產生的皺褶 - 就如圖烤過的蘋果表面。

圖片來源: www.edu.glogster.com/

韋格納又發現在古代生物化石證據方面,動物化石例如2億六千年之二疊紀的淡水生爬蟲類動物 - 中龍(Mesosaurus),在同時期的地層中,牠們的化石分佈居然如圖8的橫跨了非洲西岸及南美洲東岸,以不會在海水中游泳的中龍來說,僅用游泳過海,來解釋牠這般的化石分佈情形,是相當不合理的。而若使用20世紀初,學界對於化石分布問題,常用以解釋的"陸橋"學說來看,陸橋是由海潮降低而產生的,坦若中龍有辦法藉由如同現今太平洋面績的超大陸橋,遷移橫跨東南美洲-西非洲的區域的話,牠們的分布應該更廣,但是並沒有!種子過重,而無法藉由風力傳播的舌羊齒蕨,現今可以在五大洲都找到它的化石蹤跡,也是有力的證據之一。

圖7. 中龍外表復原圖(左圖),和中龍化石照(右圖)

圖片來源: www.en.wikipedia.org/wiki/Mesosaurus

風力傳播比動物傳播的距離能夠更遠,所以風力都不可能了,動物傳播更不用說了。

圖8. 藉由不同洲大陸上,同樣化石的分布關係所畫出的假想盤古大陸圖。其中右下角分布區域最小的化石,即是中龍化石。

圖片來源: 韋格納傳記 <Alfred Wegener: Creator of the Continental Drift Theory>

圖9. 南美洲和非洲曾相連的化石證據之一 - 犬頭龍(Cyonosaurus)外表復原圖(左圖),和犬頭龍化石照(右圖)

圖片來源: www.paleontology.sakura.ne.jp/kianosaurusu.html (左圖)、

www.sites.google.com/site/palaeocritti/by-group/gorgonopsia/cyonosaurus (右圖)

圖10. 南美洲和非洲曾相連的化石證據之一 - 舌羊齒蕨(Glossopteris)外表復原圖(左圖),和舌羊齒蕨化石照(右圖)

圖片來源: www.greenarea.me/en/101957/glossopteris-extinct-pant-3/ (左圖)、

www.deviantart.com/lexlothor/art/Glossopteris-Leaves-450068522 (右圖)

韋格納的聯想與假設

因此,韋格納認為現今的烤蘋果理論和陸橋理論都無法解釋現今大陸的形狀以及古生物化石分佈。而根據他發現的「大陸之間的形狀似乎可以互相拼揍在一起」,如果假設「大陸在遠古時期是同一塊,但是後來因為外力而分離」的話,就能夠解釋為什麼大陸的形狀彼此之間為什麼可以拼湊再一起,以及為什麼不同大陸沿岸會有相同化石分佈的現象。

為了證明韋格納對於遠古大陸的猜想,韋格納希望能夠找到更多的證據。於是韋格納根據他氣象學的專業,預測如果遠古時期的大陸是彼此相連的話,那麼這些大陸古時候的氣候應該也是彼此連貫,同時大陸交接處的氣候應該是相同的。於是他在撰寫他的古氣候學本行課本之餘,韋格納也開始著手收集、整理能夠佐證他"現今各大陸在遠古時代,是黏在一起"的學術假設的證據。

韋格納的驗證方法與結論

為了找出古時候大陸的氣候,韋格納透過在古氣候學上很真知灼見,因此對化石以及地層堆積相當敏感的韋格納,決定透過植物的年輪化石來判斷當時候的氣候。

一般來說,植物的樹幹在不同溫度的環境中生長時會有不同的深淺,溫度越低會生長出顏色越深的樹幹,溫度越淺則會產生出顏色越淺的樹幹,因此溫帶地區的樹木,會具有深淺交替明顯的年輪;但因為熱帶地區的四季分別不明顯,所以熱帶地區的樹木不容易出現年輪。而在非洲、印度南部和美洲南部等區域,皆有在同時期地層的冰河地形、溫帶具年輪的木本植物(如圖11)遺留,這些區域現在大多都已經是熱帶氣候和亞熱帶氣候區域(例如印度次大陸),如果從古至今,該大陸一直都維持在同緯度、同氣候的區域的話,現今為熱帶氣候的區域,不應該在低海拔高度的位置會有溫帶植物的遺留物,但是若將這些具有溫帶植物遺留的大陸陸塊,沿著它們的海岸線形狀拼湊成一塊大型大陸的話,這一種塊大陸的氣候分佈都會是相同的、會有同樣是溫帶植物的遺留物被發掘出來,也就說得通了。

另外,在這些能找到古代溫帶植物遺留物的現今屬熱帶氣候的地點,也在當地海拔較低的位置發現了,冰河地形中才會出現的U形谷地形和冰川擦痕(其範例如圖13),這同樣也能證明該區域在古代是位於溫/寒帶氣候區,到了近代才漂流到現在所在的熱帶氣候區的。

圖11 溫帶具年輪樹幹剖面

圖片來源:http://big5.zhengjian.org/node/233429

圖12 熱帶無年輪樹幹剖面

圖片來源:https://kknews.cc/nature/zan3j5p.html

圖13. 關於大陸漂移說,盤古大陸上古代冰河堆積遺留範圍的推測之示意圖(下左圖)、冰河刮痕照片(下右圖),與現今發現古代冰河遺留的位置圖(上圖)。

圖片來源: www.cosscience1.pbworks.com(上圖)

www.issuu.com/hamdysayed/docs/historical_geology_/60(下左、下右圖)

 綜合以上的論述,並否定了當時盛行的陸橋說、烤蘋果假說 - 解釋不同大陸上的相似化石分布,以及現在大陸、海洋與各地形形成的解釋用學說,韋格納認為,"只有在2億年前,世界上的各大陸是連接在一起的",這樣的解釋說法說法,能說明上面兩大例子。(除了中龍化石外,還有很多種不同的古生物化石,也有類似的現象 ;相似的狀況,在古氣候分布上也有出現,例如沙漠遺留)他在發表會上,將這個古老、又超級大的大陸稱作盤古大陸(Pangaea - 取自希臘文,意思為"全部在一起的陸地")。

1912年韋格納走上德國地質學會的發表大會,兩手放在講桌上一撐,大聲宣布:"各位,經過我這幾年的精心研究,我認為在很久以前,大陸曾黏在一起過,但後來卻分裂開了!...大家看看南美洲東部與非洲西部這兩條相似的海岸線,我覺得,它們就像一張被撕開的報紙,兩邊的文字和字體都是相同的,只是被外力撕開罷了。同樣的道理,現在世界上的各個大陸,也是以類似的方式,從前連接在一起,後來被撕裂開來。 ...我想稱呼這個現象為'大陸漂移(Continental Drift)'!..."在大家露出咋舌的神情之餘,韋格納解釋著它所找到的,能夠支持他論點的證據。

隨後在1915年,韋格納又將發表資料整理成了一本書出版,書名為<大陸與海洋的起源>(德文原名為<Die Entstehung der Kontinente und Ozeane>,英文書名大多譯為<The Origin of Continents and Oceans>),並分別在1920、1922和1929年發行增訂版本。

圖14. <大陸與海洋的起源>(<The Origin of Continents and Oceans>) 英文版本書影

圖片來源: www.amazon.com/

韋格納造成的影響

雖然,在1912年的口頭發表現場,韋格納的理論是如此地令觀眾們吃驚,但是,其著作<大陸與海洋的起源>的德文版發行以後,在歐洲的德語世界中,並未有太多的迴響,大家幾乎都是對這個,當時看來極度荒謬的學說一笑置之。但是在1922年的<大陸與海洋的起源>第二增訂版發行,並於1924年翻譯成了英文後(見圖14),來自尤其美國等的英語世界學者的批評聲浪,便如排山倒海而來,在1926年時,美國石油地質學家協會(American Association of Petroleum Geologists)甚至招開了一個專門會議,來抨擊韋格納的<大陸與海洋的起源>。

<大陸與海洋的起源>會遭受如此猛烈攻擊的最大原因,在於韋格納在這本書中,用以解釋盤古大陸分裂的原因實在太過無理 :

雖然韋格納整理出的古氣候、化石的遺留證據,可以證明約兩億年前,世界上的大陸曾經是連接在一起的"大陸漂移"論說,但後來這個超大塊的古大陸,是以什麼動力分裂成現今分布狀況?以當時的物理與地質學概念,沒有辦法提供一個合理的動力面的解釋。

韋格納因為受到在格陵蘭長期田野調查,觀察到大型冰帽碎裂、滑落入海中,形成浮冰現象的啟發,以及或許從他那篇關於太陽、月亮和地球相互運動關係的博士論文論文獲得靈感,所以他進一步提出假設,為何盤古大陸分裂的動力 - 韋格納假設所有的大陸(Continent)是在海洋的陸塊(Sea floor)之上的,而且大陸陸塊的密度、硬度皆大於海洋陸塊,使得海洋陸塊容易受到大陸陸塊壓迫而變形,這使得大陸陸塊能如同破冰船一樣,在硬度相對較低的海洋陸塊(如同被破冰船壓碎的冰)上移動,讓大陸陸塊在海洋陸塊上方移動變得可能(見圖15);基於海潮推動的力量,以及月球對地球公轉造成的離心力,讓大陸間產生被海潮推動(引潮)、被離心力拉扯開的力量,使得自兩億年前之後,盤古大陸分裂成現在的樣貌;甚至,至今大陸間仍持續分裂,例如,在韋格納的推測之中,歐洲與北美洲每年會以250公分的速度,相互分離之 。

圖15. 在韋格納的想像中,大陸陸塊如同破冰船,能在如同冰層一般脆弱的海洋陸塊上,壓迫海洋陸塊來移動。

圖片來源: www.washingtonpost.com/

各大陸向外漂移時,產生了一股巨大的力量,使得大陸陸塊外緣之岩層與海洋陸塊產生擠壓的現象,因此產生了山脈與海岸線皺褶,例如中國的泰山、中印兩國邊境的喜馬拉雅山,和北美洲的洛磯山脈等。

韋格納這樣關於盤古大陸分裂動力來源的假設,遭到了尤其美國學界的猛烈批評。批評者們認為,韋格納提出的這些可能力量,無論花多少的時間來推動大陸,它們實在都微小到無法讓盤古大陸如此巨大的假想大陸分裂成現今個大陸的樣貌;又坦若將潮汐、月球對地球公轉的離心力放大數倍至可以推動陸地,如此計算的結果會顯示出,地球有可能在1年內停止自轉 。

無論是"大陸漂移假說"本身的動力說明並不具說服力,或是因為美國因為和德國剛進行過第一次世界大戰的衝突,讓英語世界等學界人士,普遍對韋格納的論述抱持相當不滿的反對情緒,韋格納在1926年後,普遍在"大陸漂移假說"遭受大多人反對的晚年生活中渡過。

1918年後,德國面臨因為戰敗而通貨膨脹、大規模失業的經濟災難,韋格納的研究經費當然也受到嚴重的衝擊,但為了他的"大陸漂移假說"及古氣候學研究,他仍毅然決然地決定前往格陵蘭進行極地氣候研究,並試圖收集陸塊移動的數據,來佐證他的大陸漂移假說,為此,他的岳父柯本還稱讚他是"為了研究而孜孜不倦、努力的男人"。

不過令人遺憾的是,韋格納在1929年到1930年的格陵蘭田野研究中,因為暴風雪而補給受阻,因此在1930年的11月韋格納因體力不支而逝世在格陵蘭的調查中,到了隔年的四月,搜救隊才找到他的遺體。

韋格納的一生,因天馬行空、充滿冒險精神而揚名學界,他的一生中出版了諸多關於在格陵蘭、北極地區做極端氣候調查的書籍,也和他的岳父柯本一同著作了氣候學的教科書,但使得他名留千古的,卻是他的"業餘"著作<大陸與海洋的起源>中的"大陸漂移假說"。不知他在逝世和眼前的那一刻,是否有想到,他的"大陸漂移假說"在20多年後,會因另一個學說-海底擴張學說 的發揚,而獲得學界的認可,變成地球科學中,現今大多學者認可的說法呢?