为庆祝爱因斯坦奇迹年100周年,联合国教科文组织(UNESCO)把2005年定为"世界物理年"。
　　100年前爱因斯坦还是瑞士伯尔尼市专利局的一个小职员时,就已经发表了3篇足以永远改变物理学界的论文,包括: (1)提出狭义相对论并证明了质能方程(E=mc2); (2)用普朗克当时新提出的尚处于争论中的光子概念(E=hv)解释了光电效应; (3)运用当时还远不能为世人所接受的玻尔兹曼分子动力学(E=kT)研究了布朗运动的宏观现象。
　　对爱因斯坦在物理学方面的贡献的庆祝活动引起了地球物理学界对地球物理学及其与物理学关系、特别是对那些重大发现的思考。
　　与美国地球物理联会会(AGU)中许多其他人极为相似,本文作者是学物理学的,却主攻地球物理学,并热衷于大气和固体地球科学中的研究工作。下面的文章将从更宽的视野探讨地球科学与物理学之间错综复杂与渐进发展的关系的过去与未来。
　　基础物理学在地球科学中成功的应用17世纪法国哲学家、数学家、物理学家笛卡尔(RenéDescartes)在他的的绪言中把哲学描述成为一棵植根于玄学的树,物理学是它的树干,而其他学科比如力学或者医学是树枝。这棵"哲学之树"是人们下述一般看法的一种极端观点,即物理学乃科学之女王,而其他学科在本质上都是不同形式的应用物理学。
　　凝聚态物理学家、诺贝尔奖获得者PhilAnderson在他1972年的文章
　　(Anderson, 1972)中强调,粒子物理学及正经的简化论解释这个世界的能力是有限的。他主张,现实是分等级层次构建的,在一定程度上,每一个层次是与其上层和下层独立的:"在每一个阶段,全新的理论、概念和归纳是必要的,需要和上一阶段同样程度的灵感和创造性"(p·393)。Anderson注释说,"心理学不是应用生物学,生物学也不是应用化学"。
　　的确,地球物理学与应用物理学有很大不同,它促使物理学本身向着纵深和持久的方向发展。
　　然而,地球物理研究通常被认为是运用基本的科学规律解释所观测到的现象,同时提出有关尚未解决的结构和动力学成因的假说理论。
　　例如,在1752年,富兰克林(BenjaminFranklin)为了证明闪电是一种自然发生的电火花,他进行了著名的放风筝试验。19世纪丁铎尔(John Tyndall)的燃气辐射特性的研究,极大地推动了人们对燃气体是如何给大气加热和制冷的认识。
　　1903年诺贝尔化学奖获得者阿伦尼亚斯(Svante Arrhe-nius)在1895年向斯德哥尔摩物理学会提交了一项开创性的成果,其主题是空气中的碳酸(他当时提出来的是二氧化碳)对地表温度的影响,这是一个地球科学家们和社会各界至今仍争论不休的问题。
　　20世纪早期,塞尔维亚天体物理学家米兰柯维奇(Milutin Milankovitch)根据不第5期地球物理学中物理学应用的可喜进展67断变化的日地位置(轨道偏心率、倾斜、岁差),发展了基于太阳辐射的季节性和纬度变化的气候数学理论。该理论无论是在应用研究还是基础研究方面,仍然在促进着当今数学和物理学的发展。
　　倡导边缘学科研究的魏格纳(AlfredWegener)在1915年撰写了一本在科学史上最有影响力但倍受争议的著作。在该书中,他提出了大陆漂移和海洋扩张理论解释地球地理的演化。这个理论足足等到50年后才重见天日,被发展为建立在现代地球物理数据(岩石磁性、地幔对流和地震学)坚实基础之上的板块构造理论。
　　马丁(John Martin)研究了控制海洋生物的基本的化学过程,并于1989年在杂志上发表了他的铁元素假说:在临界海域内喷洒少量铁元素可能会使大量的海藻盛开,它们能除去大气中大量的碳从而使温室效应可能被逆转过来。
　　这些不过是几个例子,说明地球物理学家如何像物理学家那样,把复杂的现象还原成基本过程,甚至由于他们的成功而大胆提出了地学工程计划,于是强化了这样一个理念:地球物理学是建立在各基础学科基础上的应用领域。
　　地球物理是一门基础科学不仅如此,还有许多例子说明,在地球物理学界有许多地地道道的科学家,他们的许多发现公认是"基础科学",即使是从最纯粹的物理学的准则来衡量也是如此。
　　在20世纪初,现代气象学和天气预报的奠基人皮叶克尼斯(Vilhelm Bjerknes)提出了大气环流理论,构成水力学和热力学的综合科学,该理论适用于大尺度的大气和海洋运动。这给后人们开拓了一条通过从观测到的大气初始状态开始,在时间域里积分初始方程来计算大气未来状态之路。
　　皮叶克尼斯的儿子雅克布·皮叶克尼斯和其他人提出了控制中纬度气旋的机制,这催生了气团和锋面理论。
　　部分受到地球内部岩石承受的高压强和剪切应力的启示,布里季曼(Percy WilliamsBridgman)在1935年、N·S·Enikolopyan在其后,在大量物质中作用的静水压力和剪切力的综合结果方面进行了开创性的工作。
　　直到今天,人们仍然在继续研究寻求高压(高达兆巴)、高温(高达数千度)条件下矿物的新特性和寻求合成的地质材料的物理化学特性之间的相互关系。这些研究工作将可能影响石油或者地热能源的勘探及储量估计,并影响在分子层面上对硅酸盐熔体和玻璃体结构的研究。
　　由库伦(Charles Augustin Coulomb)在1773年正式给出的固体摩擦定律,随着由固体摩擦应用在天然地震中促成的依赖状态和速度(Ruina-Dieterich)的摩擦系数的发现,在近期取得了重大进展。
　　现在,充满活力而广泛的研究成功地解密了在许多介质中固体摩擦的微观物理起源,并把其主要结果解释成在介质中的滑动、破裂的动力学。介质尺度从小到原子、大到数百千米长的断层。
　　在数学中,小波分析采用了尺度完全可调的窗口,克服了傅里叶分析中信号截断的问题。在它目前形式中,小波变换是由Jean Morlet(1975)在为一家石油公司工作时以"循迴-倍频变换"的名称提出来的,目的是提高地震信号的分辨率。
　　这个新颖的数学手段被证明在诸如数据压缩、去噪(使数据存储和传输方面的花费大大减少)、偏微分方程的数值解、通讯、图像分析和空间统计方面都是很有用的。
　　分形的概念,是由物理学家、数学家曼德波洛特(Nenoit Mandelbrot)于1960年代提出来的,其多数灵感归功于提供了最丰富丛2006年和最多样化应用(包括地形学、断层网状结构、地震断裂、岩石、闪电、河流网状结构、海岸线、气候变化图象以及云彩)的地球科学。1963年由麻省理工学院气象学家洛仑兹(Edward Lorenz)发现的确定性混沌学,基本上完成了动力学系统的庞加莱(Henri Poincaré)理论。
　　这些突破引发了学者们在数学和物理学上为理解混沌的机制而进行了长达20年的专注探索。分形与混沌正在替代非平衡物理学中广泛使用的概念。
　　这些仅仅是地球物理学如何影响主流物理学、且如何自我独立地发展(比如,激光中的混沌现象、量子混沌学、湍流中的多重分形和统计物理学中的非线性模型)的几个例子。
　　混沌和分形是应用于不严格地称为"复杂性理论"广阔领域中的标准工具。它们在复杂系统理论中起到了与20世纪前半叶相对论和量子力学在物理学中以及20世纪后半叶DNA双螺旋结构在对生命科学中相似的示范作用。
　　仍然在发展之中的复杂性理论是一种科学工作新方法的蓝图,而地球科学既是基本原理的使用者又是开创者。的确,复杂系统的概念和系统方法的重要性在地球科学中是很普遍的,地球科学是探究下列概念的最好的"实验室":存在大量相互作用部分的系统、对外界环境经常是开放的、自组织其内部结构和带有新奇、惊人突发性的宏观特征的动力学系统。
　　受地球科学启发得到的统计物理学基本概念的具体实例,包括用于地震和在阈值动力作用下破裂研究的弹簧-滑块模型和自组织沙堆模型。
　　地球科学的未来在鼓励探寻新概念和提倡新思路的同时,地球科学正在比以往任何时候都注重积累改善了精度、频率和分辨率的数据。主要驱动力是与生物圈持续性有关的社会问题的压力。
　　更具挑战性的是建立起长期的监测系统用以弄清楚太阳辐射、大气悬浮物、湿度、云层、降水量等对全球变暖的影响,特别是在敏感的冰雪层中的影响。
　　随着美国国家航天局(NASA)和欧洲航天局(ESA)项目,如Terra卫星、Aqua卫星、Aura卫星和Env-iSat卫星项目的实施,大气污染、植被燃烧、臭氧层空洞、厄尔尼诺以及其他现象的复杂过程,正成为世人关注的焦点。
　　美国国家航天局的地球观测系统正在从空间收集新的气候数据,同时,美国能源部的大气辐射测量(ARM)计划已经取得了建立全球地面气候观测站的领导地位。
　　美国国家科学基金会(NSF)、美国地质调查局(USGS)和其他组织正在施行地球透镜计划,这是一项直到最近才梦想成真的在时空尺度内监测地球岩石层的项目。地球透镜计划将激励科学界寻求地震和火山灾害控制、地震危险性处理、成矿和其他具有挑战性的课题。
　　新型台阵将被应用于对地球表面与内部进行的探测之中,预期在地震、火山、地幔对流和构造学等基础物理学方面将有新发现。
　　这一获取密集型数据的新浪潮极大地激励了地球科学,从而也给物理科学增添了活力。
　　自相矛盾的世界因为地球物理学要面对如此复杂的系统,它显得有些力不从心,因为几乎没有或根本没有实验控制。值得指出的是板块构造学说,虽然它统一了几乎整个地球科学,但直到1960年代末才为人们所接受。这比物理学家认识大部分原子与亚原子世界、以及认识太阳产生核能的细节要晚几十年。
　　第5期地球物理学中物理学应用的可喜进展69这不是因为地球物理学家不如物理学家聪明,而是在于以下事实:搜集全球范围的有意义的数据,需要时间、投入、财力和智慧,都超出了通常情况下在实验室中进行的大多可以很好控制的实验。
　　既然只有一个宇宙,只有一个地球,地球物理学与天体物理学,更明确地说是宇宙学,有这种共同的特性。不过,与宇宙学不同,基于物理学预言的最初结果将立即面对实际数据的检验。
　　因为复杂的自然系统模型不能以通常的方式证实,所以地球物理学是一个充满悖论和斗争的领域。
　　的确,通过将一些输出与真实世界数据的对比,来证实模型的正确性不能确认基本的科学概念的正确性。有许多模型实例都进行了精确、定量的预测,但后来被证实在概念上有缺陷(Oreskeset al,1994)。
　　与应用物理学完全不同,地球物理学改变了科学家的角色,他们不但仍要熟悉传统的学科,又要去开拓新的并且大多仍未发现的方法去确认他们的模型和理论。
　　认识人类的全球环境是一种挑战,这种环境形成于相互作用的系统(大气、海洋、陆地表面,生物圈),其复杂程度超过了先前由物理科学、生命科学或者社会科学所考虑系统的复杂程度。
　　人们一致赞誉美国地球物理联合会和欧洲地球科学联合会的工作,他们的杰出的重点工作组和跨越传统地球物理学科的"非线性地球物理"部为环境研究开辟了道路,并发展了这些研究集体与主流物理学团体的紧密联系。
　　地理学部、地球物理学部、气象学部、环境学部、大气学部和海洋学部已经相互沟通,以支持地球系统科学研究,再与社会科学联合最终成了多学科的联合研究计划。
　　或许通过发展一种将耦合的地球演变过程与复杂社会组织集成的超级系统方法,对于应对未来挑战起决定作用的影响到其他学科,诸如物理学、计算机科学、经济学、社会学、人类学等的时代已经到来。

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