作者:龎鈞翰

審定:鄭弼升、嚴天浩

古騰堡的經歷

圖1. 古騰堡照片

圖片來源:www.calisphere.org/item/56a0e5285b1f4522c377f612a05d1c5c/

“請進!”1908年的某日,德國哥廷根大學(Georg-August-Universität Göttingen)的著名地震學兼電磁學者維謝(Emil Wiechert)教授,他的辦公室外突然響起了敲門聲,維謝在聽到敲門聲後,如此地回應道。

"維謝教授您好,我是古騰堡。"推門進辦公室的少年,如此地回應道。

"喔!你就是那名寫信給我,說想轉到哥廷根大學並到我的研究室裡學習的達母斯塔特高等工業學校(Technische Hochschule in Darmstadt)的學生?"維謝抬起頭瞅了眼這名自稱古騰堡的少年。"再詳細地和我說說,你為什麼會這麼想吧?"

這名想轉學至哥廷根大學的少年名叫古騰堡(Beno Gutenberg),1889年出生於德國達母斯塔特(Darmstadt)的猶太家庭,家中經營有一小型肥皂工廠。1907年他進入達母斯塔特高等工業學校就讀時,修學了哥廷根大學的維謝教授跨校開設的地球物理(Geophysics)學課程,開始對氣象學-尤其是地震領域感興趣,因為地震波的應用技術,是在19世紀末期才被研發出來的,相當新穎的科技。

"好的,我知道了......"維謝在聽完古騰堡想轉學的緣由後如此回覆道。"希望你能在這個領域中,盡情地揮灑你的熱情 - 歡迎加入哥廷根的大家庭!"

在維謝一口將古騰堡加入他門下的請求答應後,古騰堡便在維謝的座下精進學習地球物理學、輔修幾何學與應用數學,並在1911年獲取了德國哥廷根大學的地球物理學博士。

從踏入哥廷根以及地球物理學領域後,古騰堡可以說在這個領域中是混得風生水起 - 在哥廷根就讀的期間,古騰堡學習了如何使用地震儀(Seismograph)的方法;1912~1916年期間,他在斯特拉斯堡國際地震學協會(International Association of Seismology, IAS)擔任科學助理兼地震學家;並且也是在這段時期,古騰堡研究出在地球科學領域名留青史的傑出成就。

自從博士班進入維謝的門下研究學習後,古騰堡便接下了維謝一直耿耿於懷,但終究沒辦法獨立完成的研究 - 找到地球核心所在的正確位置!原來,維謝曾透過前人使用萬有引力的物理關係,老早就已知道的地球平均密度來比對他所分析出的岩石圈密度,維謝發現了地球的密度(5.53 g/mL)比已經知道的地殼和地涵(約3.2 g/mL)的密度還大,因此,維謝認為地球內部一定還有一個密度更大的區域(約8.21 g/ mL左右的區域),經過比對博物館中的隕石樣本,由於這些以鐵鎳化合物為主成分的物質,它們的密度正好約為維謝所認為的,地球內部高密度物質區的密度值,因此維謝認為或許地球的核心是由鐵鎳化合物所組成的;但維謝從電磁物理學轉入地球物理學研究的維謝,本身對於地震波儀的使用與分析,並沒有他精研地震學研究的學生-古騰堡純熟,所以維謝救把找出地球內部構造的研究任務交給了古騰堡。於是,古騰堡便身負重任要找出地球內部構造的秘密。

為完成老師所交付的研究任務,熟悉地震波分析的古騰堡首先想到了,或許可依據莫霍洛維奇契,用"地底深處地震波傳遞介質改變,使得地震波發生折/反射,而產生的地震波被接收到的位置角度差或時間差,而發現了與地殼組成物質差異甚大得地函",這樣的思路來進行地球核心位置的研究,並以穿過地球內部的地震波作為觀察媒介。也正當他正這麼想的時候,他在1913年的某日偶然在地震波圖上,發現了或許可以用於解開地球核心位置謎團的鑰匙。

1913年的某日,在哥廷根大學的地球物理學研究中心(the Institute of Geophysics at Göttingen)做博士後研究的古騰堡,在整理實驗室中對於同一場地震散播出去的震波圖(Seismogram)時,意外地發現圖譜上的一件玄機。

"維謝教授!我這幾天整理研究室所收集的,今年發生在斯圖加特(Stuttgart)和美國舊金山(San Francisco)的地震,它們的地震波(Seismic Wave)在各地的震波圖時,發現了一件有趣的事!"古騰堡隨及跑到指導教授維謝的辦公室,與他討論這個發現。

古騰堡的發現

那麼,古騰堡究竟發現了什麼令人詫異的現象呢?原來,古騰堡在整理實驗室中,從各處地震站蒐集來的震波圖時,意外發現了 - 若從震央(Epicenter)與相對於震央的地球另一端之位置畫出一個軸,在以震源為頂點,和軸夾103度和143度之間,沒有辦法接收到從震源發出的地震波訊號。同時古騰堡也讀到英國地震學家奧丹在分析印度阿薩姆地震在全球被接收到的地震波訊號時,發現經過地球內部傳到震央對角的地震波會比預期到的時間慢了約2分鐘

古騰堡發現這個陰影區的現象就像凸透鏡聚光的效果,而根據折射定律的描述,波動行進到會使波速行進降低的介質中,波動的行進路徑會產生向材料中心集中的現象,因此要能夠產生波動訊號聚集的效果,應該代表著波動是進入到會使波速放慢的區域。

圖2. 為P波可以被地震儀偵測到和沒辦法被偵測的區域-陰影帶。

圖片來源: www.slideshare.net/oncel/seismic-waves-and-earths-interior-2752586

圖3. 陰影帶所在角度的算法。

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

但仍令古騰堡感到不解的是,維謝對於地殼平均密度的研究顯示出 - 「地球核心應該是個密度比地函更大的固態物質所組成」,根據密度越大地震波傳遞的速度越快關係,地震波在從地涵傳遞到地球核心不應該速度變慢呀。

古騰堡的聯想與假設

古騰堡左思右想之後,突然想到波動在傳遞時也會受到材料軟硬的程度所影響,波在越軟越容易因為受力而變形的物質中,傳遞的速度越慢;反過來說,波在越硬越不容易因為受力而變形的物質中,傳遞的速度就越快,所以若是用這個角度思考,就能夠完美的解釋地球內部密度大而且波速又變慢的現象。

為了確認這個想法,古騰堡比對了當時地質學界田野研究的鑽探結果,該結果表示越往地底的岩層深入,環境溫度會有越來越高的現象。這個現象與古騰堡的假設不謀而合,因為相同的物質,只要溫度越高其材質的軟硬度就越軟,也就代表波傳遞的速度會越慢。

因此,他便提筆寫下了,為解釋這個他所觀察到的神奇現象而給予的假設 - 根據莫霍洛維奇契的經驗,以及波動行進到不同界面的位置時,會產生折射的物理現象概念,古騰堡假設在比地函更深處的組成成分,與這個深度之上的地函、地殼組成有所不同,應該是如同維謝所說明的,高密度鐵鎳化合物所構成,但是由於受到高溫的影響,該位置的組成物質軟硬度比較低(比較軟),而地震波進入較軟的介質中,就會像光波進到凸透鏡一樣會減速,進而造成原本應該要偵測到地震波的地區,因為地震波被折射聚集在震央對面,而無法觀察到地震波訊號。

古騰堡的驗證與結論

除了奧丹的論文中的資料、德國司徒加特和美國舊金山的地震波圖譜外,古騰堡也收集了許多國家發生的地震被全球各地震站偵測到的地震波圖譜,並針對接收到這些地震波訊號的時間進行分析。在經過比對和計算後,古騰堡發現在不同地方的地震站接收到的地震波訊號,可以因為地震波陰影帶存在的關係,在地球內部、地表下比地函更深處,畫出一個與地球表面相同圓心的同心圓。經過比對地震波儀上的P波紀錄推算出的數據,這個同心圓的圓周位置,也是使地震波波速和地表周邊相比,急速下降的界面。之後,古騰堡在結合陰影帶存在的角度位置、接收到地震波的儀器所在位置與震源的距離,和接收到地震波的時間等資訊,推導出古氏不連續面所在的位置是地表下2900公里處。

古騰堡因而定義出,在地表下2900km深處存在一個界面。在這個界面之上,應為密度偏高且組成物質以固態為主的區域-地函,在這個界面之下,為一個組成物質與地函和地殼迥異的區域,稱作"地核(Core;核心、果核之意)”,其中地核是由鐵元素含量極高的高溫物質所組成,隨後他在1913年於期刊上發表這個研究成果。而地函與地核的交界位置被後世命名為奧氏-古氏不連續面(Oldham-Gutenberg Discontinuity),或者簡稱為古氏不連續面(Gutenberg Discontinuity)。

然而,除了地震波會有在103度到143度之間會有陰影區的現象之外,古騰堡還發現了另外一種波(S波)會在103度以上完全都無法被地震測站偵測到,古騰堡無法很好的解釋為什麼還會有這個特殊的現象,他猜測可能是由於地核與地函交界的鄰近位置上,具有某種特殊的物質結構,使得S波在這個位置的波速、振福低到讓S波訊號難以被偵測到。

圖4.為S波可以被地震儀偵測到和沒辦法被偵測的區域-陰影帶。

圖片來源: www.slideshare.net/oncel/seismic-waves-and-earths-interior-2752586

"真是厲害啊!古騰堡!這下不只是奧丹所說的陰影帶產生的原因,被你給找出來了,連我十多年前(1897年)開始懷疑,地球內部存在的富含鐵質的核心,也從我當初估計的地表下3900公里,被你準確地計算後,修正成了約2900公里啊!"1914年的某日,已在斯特拉斯堡大學(法語:Université de Strasbourg,德語:Universität Straßburg)擔任研究職位的古騰堡,回到哥廷根大學找他的恩師維謝共同小酌幾杯時,聽喝得帶有醉意的維謝如此說道。

圖4. 地核與地函所在位置深度圖。

圖片來源:www.bgs.ac.uk/discoveringGeology/hazards/earthquakes/structureOfEarth.html

"話說,這場戰爭真的是波及到了不少人啊!居然連你也不例外......" 維謝用開心的語氣聊到一半時,突然話鋒一轉變得對時局感慨,接著對古騰堡說: "戰爭期間是非常時期,好好貢獻你的所學吧!"

古騰堡造成的影響

當時(1914年)是時逢第一次世界大戰的時刻,因為受到國家的號召,古騰堡在斯特拉斯堡大學的學術研究之餘,也得進入軍事體系貢獻自己的所長。

在隨後的幾年,古騰堡利用震波偵測的技術,協助德國軍隊辨認比利時、法國邊境的敵軍加農砲的所在位置,由此可知,古騰堡幾乎已經將微震波觀測儀的使用,操作到出神入化的地步。不過,即便有古騰堡這樣"高科技"的協助,戰爭成敗的因素終究是複雜的 - 德國最終於1918年戰敗,更令古騰堡感到不順心的是,古騰堡所任教的斯特拉斯堡大學所在的城市(即斯特拉斯堡市),也因為德國戰敗敗的因素,被劃分給了法國,以致古騰堡失業。

遭逢"戰後失業"的古騰堡,不管怎麼說,也已經是在學界和政府官方(尤其是軍方),小有名氣的地震學者,因此,儘管戰敗不景氣到,古騰堡需要接手因戰爭身亡的弟弟留下來的肥皂工廠,古騰堡還是被德國當局安排在耶拿(Jena)的氣象局工作,並在工作之餘將手邊收集到的地震資料,做些書面整理和初步分析。

在1924年,因為古騰堡在努力賺錢之餘,仍孜孜不倦地努力為學術研究做出貢獻,而被法蘭克福大學(Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt)授予"特許任教資格"(Habilitation)、並在1926年升為特聘教授(Ausserordentlicher Professor),而且他在法蘭克福大學講授的一系列地球物理學講座,廣受師生與學界好評。

而在發表了古氏不連續面這一大發現後,古騰堡後來看了英國數學暨地球物理學家傑佛瑞(Harold Jeffreys)在1926年,對他當初發現地球核心的研究中之數據再深入計算的論文後,得出了地核這一P波波速發生驟降的區域是屬於液態含鐵物質,而後世的人也因此得以解釋,為什麼另外一種地震波(S波)無法穿透過地核,是由於屬於橫波的S波無法在液態中傳遞!如此一來,就會造成另外一種波(S波)傳遞到在與震央之夾角大於103度的位置時,會出現陰影帶的現象 - 就此解決了古騰堡發現地核與地函交界面時,留下來的懸念。

古騰堡原本心心念念著,等第一次世界大戰後地經濟不景氣過去,自己在學術界和法蘭克福大學地努力,總會讓他在德國的生活回復穩定,但他不知道,德國納粹黨政醞釀著下一場世界大戰的到來,以及對他所屬的猶太人身份的迫害,而他也將被命運的巨浪,捲到大西洋另一端的美國發光發熱。