照亮地球內(nèi)部的燈塔

俄羅斯地震學(xué)家伽利津曾將地震波比喻為短時間照亮地球內(nèi)部的一盞燈，如果這種地震波可以長時間照亮地球內(nèi)部，并且光線射得更遠(yuǎn)、照得更亮，那么，這種地震波就是地震弧波，它已經(jīng)不只是一盞明滅不定的燈了，而成了一座可以恒久照亮地球內(nèi)部每個角落的巨大燈塔。

兩次踏進(jìn)同一個弧波

地震弧波可以看成是由波、地震波和弧波合成的。波是擾動或振動通過空間和其他介質(zhì)傳播的物理現(xiàn)象，如果這個介質(zhì)是地球，就是地震波。依靠地震儀接收天然地震或人工地震產(chǎn)生的地震波，經(jīng)過放大、記錄和分析，可以間接觀察到地球內(nèi)部的情況，就好比從鼓聲可以聽出鼓的形狀。由于不透明的地球巖石、土壤阻擋了可見光和無線電波。x光、r射線和超聲波等可以照穿人體。但照不穿比人體更大更密實的地球，所以現(xiàn)在人類對地球內(nèi)部的探測主要借助地震波。

弧波又是什么呢?水無常形，一個人不能兩次踏進(jìn)同一條河流，用水流和水的波動來形容它的遷移不定、變動不居是最合適不過的了。但如果河流里涌現(xiàn)出一堆水波，它能長久地保持原有的形狀、幅度、速度，遇到阻礙、干擾也不會彌散、瓦解或改變，這就是弧波。一個人不能兩次踏進(jìn)同一條河流，卻可以兩次踏進(jìn)同一個弧波。

自從英國工程師約翰·羅素在愛丁堡附近的尤寧運河發(fā)現(xiàn)了第一個弧波。它已經(jīng)從液體擴(kuò)展到了氣體、固體、等離子體，在物理學(xué)的光脈沖、化學(xué)的化學(xué)振蕩波、生物學(xué)的神經(jīng)信息傳遞中處處能看到它的身影。它事實上就是一大類范圍廣泛的“隨機(jī)成群效應(yīng)”：天上的星星隨機(jī)分布，但數(shù)量太多就會出現(xiàn)規(guī)。則的美麗星座；地上的人們只要有六個聚在一起，至少就會有三個人互相都認(rèn)識或互相都不認(rèn)識。一切雜亂無章、混沌無序中出現(xiàn)的自組織的相干結(jié)構(gòu)，都是這一類效應(yīng)。地震波是地球作為介質(zhì)受力振動而形成的機(jī)械波或彈性波，也應(yīng)該能夠產(chǎn)生弧波。

地震弧波優(yōu)點多

相比地震波，地震弧波有些什么優(yōu)點呢?首先地震弧波容易識別，它穩(wěn)定不變的形狀、幅度、速度仿佛就是它的身份識別標(biāo)志，這種標(biāo)志可以是獨一無二的。地球平均每天發(fā)生10 000多次的天然地震，還有其他各種原因?qū)е碌淖杂烧袷?，這些地震和振蕩絕大多數(shù)是人體感覺不到的微震，但靈敏的地震儀都能夠接收和記錄。只是不同的地震波衰減、變化后往往互相混雜，很難找出規(guī)律進(jìn)行分析。地震弧波卻仿佛在身上貼了一張標(biāo)簽，便于科學(xué)家對其追蹤。隨時定向定位，找出傳播規(guī)律。

其次，地震弧波可以將局限在低頻范圍探測地球內(nèi)部的地震波拓展至高頻。地震波的波長就好比一個人的步幅，腿短的矮個子步幅小，難以邁過高坎或?qū)挏?，要么磕磕碰碰?被地下物質(zhì)的界面反射、折射)；要么跌落溝底(被地下物質(zhì)吸收)。如果是腿長步幅大的高個子，就可以輕松地跨越過去。所以地震波要穿透地球，頻率高、波長短了不行。而地震弧波波長雖短，但因為能量不易耗散，屢經(jīng)反射、折射仍然不走樣，撞了南墻就回頭，回頭還要再撞墻，百折不撓，兩個弧波還可以互相穿透過去而不變形；如果跌落溝底了，哪里跌倒哪里爬起，不會就此一蹶不振甚至粉身碎骨。所以即使磕磕絆絆、跌跌撞撞，照樣可以像高個子一樣走很遠(yuǎn)的距離。

最后，常規(guī)地震波頻率越低，波長越長，傳倒是傳得遠(yuǎn)了，但與地下各種物質(zhì)的作用也就很小，負(fù)載的可供我們分析利用的信息量就少。而地震弧波在傳播遠(yuǎn)的同時波長又很短，它與地下各種物質(zhì)的接觸碰撞和其他作用就會相當(dāng)頻繁和細(xì)膩，能提供給我們更多有用的信息。地震弧波盡取了各種波長的地震波之利，又無其弊。

人類至今沒有在天然地震中發(fā)現(xiàn)可供利用的弧波，只能考慮由人工地震激發(fā)弧波，這就要依靠一些相當(dāng)特殊的技術(shù)手段。雖然這些手段往往只是理論上的大膽猜測，但也不是沒有可行性的。

怎樣激發(fā)和產(chǎn)生地震弧波

第一種是類比光子，在所有類型的弧波和弧子中，可能只有光子是最為成熟的技術(shù)，已經(jīng)在光纖通訊中得到應(yīng)用。光纖中的一束光是由不同頻率的波組成的，頻率不同，傳播速度也不同，快的快慢的慢，會導(dǎo)致光波整體出現(xiàn)擴(kuò)散，信號畸變，這叫“群速度色散”。就像開始時聚成一個團(tuán)隊出發(fā)的長跑選手，由于速度不同，會很快互相拉開距離，無法保持隊形。這時如果有一個保存實力后發(fā)制人的選手突然加速，從最后面沖到最前面，帶動了整個隊伍一起加速，隊形又會收攏，這在光纖中叫“自相位調(diào)制”效應(yīng)，與“群速度色散”恰好抵消，使光波不再擴(kuò)散畸變，就形成了光弧子。在地震波中尋找與此類似的效應(yīng)而產(chǎn)生地震弧波，應(yīng)該是一種最簡便也最自然的思路。

第二種是類比自激振蕩電路的正反饋效應(yīng)，通過某種方法使地震波的振蕩不斷加強(qiáng)。在需要接收的地方形成一個固定的回路，就是一個地震弧波。

第三種是類比更廣泛的非線性耦合作用，地震波是由各種頻率的波疊加成的，依靠非線性耦合作用，經(jīng)歷足夠長的運動過程，總會回歸到最接近開始的狀態(tài)，從而把這些不同頻率的波久久地維系在一起，形成地震弧波。常規(guī)地震波中的縱波和橫波已經(jīng)可能存在這種非線性耦合作用，地震波產(chǎn)生縱波的同時一般也產(chǎn)生橫波，橫波只能在固體傳播，不能像縱波一樣通過氣體液體之類的流體，也不能通過外地核，因此可以認(rèn)為外地核是液態(tài)的。但橫波到了固體的內(nèi)地核又出現(xiàn)了，既然它不能通過外地核，那又是怎么傳播到內(nèi)地核的?這就有可能是縱波依靠與它的非線性耦合作用，把它攜帶過外地核的。這種非線性耦合作用的范圍可能是無窮大，這時的地震波可以看做只有一個波峰的波，波長是無限長，就成了弧波；也可看做是一個波長無限短的“極頻波”。這樣可以進(jìn)一步解釋為：地震弧波的波長無限長或無限短，橫波是在無窮遠(yuǎn)處或無限深處繞射過外地核的。另外，人們熟知的“費米一巴斯塔一烏拉姆”諧振子實驗和動力系統(tǒng)中著名的龐加萊回歸(龐加萊循環(huán))定理也都可能表現(xiàn)了這種非線性耦合作用。

第四種是利用異常散射態(tài)材料實現(xiàn)“反多普勒效應(yīng)”(近期英國物理學(xué)家塞東和比爾帕克已經(jīng)成功演示了這種效應(yīng))，與多普勒效應(yīng)結(jié)合產(chǎn)生地震弧波。

第五種是將地震波類比玻色子，地震弧波類比費米子，利用量子效應(yīng)將玻色子轉(zhuǎn)變成費米子。要從玻色子轉(zhuǎn)變成費米子，有多種途徑，其中之一是想法把玻色子安到一個存在排斥勢能的“座位”上，排斥勢能使一個“座位”擠不下兩個玻色子，這樣它就變得和費米子一樣滿足所謂“泡利不相容原理”，玻色子和玻色子之間有了身份差別，相當(dāng)于成了費米子。換到地震波和地震弧波上，就相當(dāng)于讓地震波的振動受到某種位置上的限制，使它們區(qū)分開來，成為地震弧波。還可以把玻色子看做一種連續(xù)測量出來的“量子芝諾效應(yīng)”，如果不測量它，它是什么樣子我們無從知道；如果連續(xù)測量它測得太快，它上一次測量后狀態(tài)還來不及改變，我們的下一次測量又來了，看到的自然還是上一次測量的老樣子，這使得所有的玻色子好像都處在同一個狀態(tài)。如果我們的測量拉開適當(dāng)?shù)拈g隔，剛好在它改變狀態(tài)的時候測量，這一次測量的玻色子和上一次測量的玻色子就不一樣了，不能處在同一個狀態(tài)的玻色子就相當(dāng)于費米子。換到地震波和地震弧波上，就相當(dāng)于讓地震波的振動不斷受到測量的微擾，使它每次將要彌散時又重新聚攏來，成為地震弧波。

第六種是直接類比量子的波粒二象性，弧波在波動中呈現(xiàn)剛性粒子的特征與量子的波粒二象性更相像。波粒二象性能夠?qū)е铝孔蛹m纏，兩個有共同來源的粒子無論分開億萬光年的距離，仍然可以在瞬間同步行動，像有一種超光速的信號把它們關(guān)聯(lián)、糾纏在一起，這時兩個分開的粒子可以看作波，即弧波，而它們作為整體只是一個彌散在億萬光年的常規(guī)波。一種解釋是：在波粒二象之外有一個隱藏更深的聯(lián)系波粒二象的“隱變量”，波粒二象性其實是“波粒隱三歧性”，量子通過隱變量糾纏起來，波通過隱變量成為粒子，地震波同樣也可以通過隱變量變成地震弧波。這可能是最深刻也最寬廣的思路了。

地震弧波用處大

發(fā)現(xiàn)天然地震中的弧波將對地震預(yù)測和預(yù)警有很大作用，因為弧波的傳播速度要比常規(guī)地震波快，如果提前接收到地震弧波，就可以緊急疏散人員，采取其他抗震防震措施，將災(zāi)害損失減到最小。此外，作為對地球內(nèi)環(huán)境進(jìn)行遙感、遙測的首選方案，地震弧波并不比另一個候選對象中微子cT掃描更現(xiàn)實可行。但一旦實現(xiàn)，它的作用將會比中微子CT更大。因為人類如果要發(fā)射人造地球內(nèi)衛(wèi)星甚至親臨地下深處探險，那么，它就不僅僅是一座導(dǎo)航的燈塔，還可以成為發(fā)射人造地球內(nèi)衛(wèi)星和航地飛船的強(qiáng)勁動力源。

(盛文娟插畫)