思想者小傳

    路甬祥 中國科學(xué)院院士、中國工程院院士，流體傳動與控制專家，全國人大常委會副委員長。 1942年生于浙江寧波，1964年畢業(yè)于浙江大學(xué)，1981年獲德國亞琛工業(yè)大學(xué)工程博士學(xué)位。他創(chuàng)造性地提出“系統(tǒng)流量檢測力反饋”、“系統(tǒng)壓力直接檢測和反饋”等新原理，并應(yīng)用于先導(dǎo)流量和壓力控制器件，將此技術(shù)推進到一個新階段。該技術(shù)被認為是上世紀80年代以來電液控制技術(shù)重大進展之一。主持開發(fā)研究相應(yīng)的 CAD、CAT支撐系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于中國許多工業(yè)部門。

    今年是德國氣象地質(zhì)學(xué)家、地球物理學(xué)家阿爾弗雷德·魏格納提出大陸漂移學(xué)說100周年，他于1915年出版的《大陸與大洋的起源》一書，開啟了20世紀地球科學(xué)革命的序幕。繼魏格納之后，上世紀60年代，海底擴張說和板塊構(gòu)造說陸續(xù)被海洋地質(zhì)學(xué)家和地球物理學(xué)家提出并得到論證。人們把大陸漂移說、海底擴張說和板塊構(gòu)造說稱為全球大地構(gòu)造理論發(fā)展的三部曲，并將之與達爾文的生物進化論、愛因斯坦的相對論、宇宙大爆炸理論和量子論并列為百年以來最偉大的科學(xué)進展之一。

假說源于一次意外發(fā)現(xiàn)

    1912年，德國年輕人魏格納首次提出大陸漂移說，震撼了當時的科學(xué)界，但招致的攻擊遠大于支持。因為如若假說成立，整個地球科學(xué)的理論就要被改寫。

    1492年至1502年，意大利航海家哥倫布四次橫渡大西洋，發(fā)現(xiàn)了美洲新大陸。歐洲探險家、科學(xué)家紛紛參與環(huán)球航行與探險考察，促進了地理大發(fā)現(xiàn)，不僅使全球地圖繪制得更加精確，還拓展了人們對全球地貌、地質(zhì)、生物多樣性及物種分布的認知，引發(fā)了人們對地球演化的思考。

    1596年，法蘭德（現(xiàn)比利時北部）地圖學(xué)家奧特利烏斯最早提出大陸漂移假說。 1858年，法國地理學(xué)家史奈德也曾提及“美洲或是因地震與潮汐而從歐洲及非洲分裂出去的”觀點，但這些還都只是一些朦朧的猜想。

    歷史將機會留給了一個德國年輕人——魏格納。魏格納在科隆高中畢業(yè)后進入柏林路德維西·威廉姆斯大學(xué)攻讀物理、天文和氣象學(xué)，于1905年獲得天文學(xué)博士學(xué)位。他喜歡思考和冒險，勇敢而執(zhí)著，對氣象、氣候?qū)W有強烈興趣，并致力于大氣熱力學(xué)和古氣候研究。他撰寫的氣象熱力學(xué)成為當時大學(xué)的經(jīng)典教科書。

    1910年的一天，30歲的魏格納意外地發(fā)現(xiàn)，大西洋兩岸的大陸輪廓竟然如此相互契合。他由此想到，非洲大陸與南美洲大陸可能曾經(jīng)是貼合在一起的原始大陸，或由于地球自轉(zhuǎn)的分力和天體引力而分裂、漂移，才形成被大西洋分割的現(xiàn)狀。

    1911年秋，魏格納偶然看到一篇有關(guān)“陸橋說”的論文，盡管他并不相信大陸之間曾經(jīng)存在所謂“陸橋”的假說，但卻因此受到鼓舞，開始搜集資料驗證自己關(guān)于大陸漂移的猜想。他首先分析了大西洋兩岸的山系和地層，結(jié)果令人振奮。如北美洲紐芬蘭一帶的褶皺山系與歐洲北部的斯堪的納維亞半島的褶皺山系遙相呼應(yīng)，暗示北美洲與歐洲以前曾經(jīng)“親密接觸”；美國阿巴拉契亞山的褶皺帶，其東北端沒入大西洋，延伸至對岸又在英國西部和中歐一帶出現(xiàn)等等。魏格納又考察了大洋兩岸的化石。在他之前，古生物學(xué)家就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在遠隔重洋的大陸之間，古生物物種也有著密切的親緣關(guān)系。例如，中龍是一種生活在遠古時期陸地淡水中的小型爬行動物，它的化石既可以在巴西石炭紀到二疊紀形地層中找到，也出現(xiàn)在南非的同類地層中。古代冰川的分布也支持魏格納的設(shè)想。距今約3億年的晚古生代，在南美洲、非洲、澳大利亞、印度和南極洲，都曾發(fā)生過廣泛的冰川作用，可以從冰川的擦痕判斷出古冰川的流動方向。從冰川遺跡分布的規(guī)模與特征判斷，當時的冰川多是在極地附近產(chǎn)生的大陸冰川，而南美、印度和澳大利亞的古冰川遺跡卻是在大陸邊緣地區(qū)，而且運動方向是從海岸指向內(nèi)陸的。按照常識，冰川是不可能由低向高運動的，說明這些大陸上的古冰川不是源于本地。這一現(xiàn)象曾使地質(zhì)學(xué)家們一籌莫展，卻為大陸漂移說提供了有力佐證。

    在大量證據(jù)和嚴謹分析研究的基礎(chǔ)上，1912年1月6日，魏格納在法蘭克福地質(zhì)學(xué)會首次發(fā)表大陸漂移說，4天后他又在馬堡召開的自然科學(xué)促進會重申了他的學(xué)說。 1915年，魏格納的代表作——共94頁的 《大陸與大洋的起源》德文版正式出版。在這本不朽的著作中，魏格納提出，在中生代以前地球表面存在一個連成一體的泛古陸，由較輕的含硅鋁質(zhì)的巖石如玄武巖組成，它像冰山一樣漂浮在較重的含硅鎂質(zhì)的巖石如花崗巖之上，周圍是遼闊的海洋，后來或是在天體引力和地球自轉(zhuǎn)離心力的作用下，古陸發(fā)生了分裂、漂移和重組，大陸之間被海洋分隔，才形成了今天的海陸格局。

    魏格納這一觀點震撼了當時的科學(xué)界，但招致的攻擊遠大于支持。因為如若假說成立，整個地球科學(xué)的理論就要被改寫；另一方面，魏格納是一位天文學(xué)博士，主要研究氣象和古氣候，并非地質(zhì)和地球物理學(xué)家。在不是自己的研究領(lǐng)域發(fā)表如此標新立異的觀點，人們對其科學(xué)性難免產(chǎn)生懷疑。最主要的還是：大陸漂移的動力學(xué)機制尚未得到合理解釋和證實。

    1930年11月，魏格納在第三次深入格陵蘭冰原考察時不幸遇難，長眠于冰天雪地之中，年僅50歲。直到魏格納去世30年后，大陸漂移學(xué)說才終于因洋底擴張學(xué)說的興起和板塊結(jié)構(gòu)學(xué)說的創(chuàng)立而得到公認。

論證歷時半個多世紀

    1960年美國地質(zhì)學(xué)家赫斯首次提出海底擴張學(xué)說，這一觀點解釋了大陸漂移的動力學(xué)機制，主張地殼存在大規(guī)模漂移運動的觀點取得了勝利，也為板塊構(gòu)造說的建立奠定了基礎(chǔ)。

    1960年，美國地質(zhì)學(xué)家H.H.赫斯首先提出海底擴張說，隨后R.S.迪茨于1961年也用海底擴張作用討論了大陸和洋盆的演化。他們被公認為海底擴張說的創(chuàng)立者。

    赫斯畢業(yè)于耶魯大學(xué)，1932年獲哲學(xué)博士學(xué)位，他曾在普林斯頓大學(xué)任教。二次大戰(zhàn)期間，他應(yīng)征加入海軍，成了“開普·約翰遜”號的艦長。職務(wù)的轉(zhuǎn)換并未改變他熱愛海洋揭示海洋奧秘的理想。他利用在太平洋巡航的機會，用聲納對洋底進行探測，獲得了大量洋底地貌數(shù)據(jù)，在整理分析這些數(shù)據(jù)時，他發(fā)現(xiàn)在大洋底部有連續(xù)隆起像火山錐一樣但頂部平坦的山體。戰(zhàn)后赫斯回到普林斯頓大學(xué)執(zhí)教并繼續(xù)研究，他發(fā)現(xiàn)，同樣的海底平頂山，離洋中脊近的較為年輕，山頂離海面較淺；離洋中脊遠的，地質(zhì)年代較老，山頂離海面也較深，他對這種現(xiàn)象甚為困惑。赫斯分析了當時最新的海洋地質(zhì)研究成果，如大洋中脊體系、海底沉積物帶等。1960年，他在普林斯頓大學(xué)非正式刊物上首次提出了海底擴張學(xué)說，明確指出地幔內(nèi)存在熱對流，大洋中脊正是熱對流上升使海底裂開之處，熔融巖漿從這里噴出，遇水冷卻凝固，將已存老洋殼不斷向外推移造成海底擴張。 1962年，赫斯正式發(fā)表論文《海洋盆地歷史》。他在引言中說，“我的這一設(shè)想可能需要很長時間才能得到完全證實，因此，與其說這是一篇科學(xué)論文，倒不如說是一首地球的詩篇”。

    迪茨是美國海軍電子實驗室的一名科學(xué)家，他在菲律賓以東的馬利納海溝也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。 1961年他在《自然》雜志發(fā)表文章，也獨立提出了海底擴張的觀點。1963年，F(xiàn).J.瓦因和D.H.馬修斯對印度洋卡爾斯伯格中脊和北大西洋中脊的洋底磁異常特征作了分析：洋中脊區(qū)的磁異常呈條帶狀，正負相間平行于中脊的延伸方向，并以中脊為軸呈兩側(cè)對稱，如磁帶一般記錄了洋底擴張的過程，有力佐證了洋底是從洋中脊向外擴張的事實。

    隨著海洋地質(zhì)科學(xué)的發(fā)展，人們鉆取巖芯，用放射性同位素測定大陸和海底巖石紀年，發(fā)現(xiàn)大陸除沉積巖外，主要由花崗巖類物質(zhì)組成，最老巖石年齡已在30億年以上，平均厚約35公里。海底主要由玄武巖組成，一般不超過2億年，平均厚約5～6公里。而且離大洋中脊愈近，年代愈近，并在洋中脊兩側(cè)大體呈對稱分布。大西洋與太平洋的擴張情況有所不同，大西洋在洋中脊處擴張，兩側(cè)與相鄰的陸地一起向外漂移，不斷拓寬，而太平洋底在東部洋中脊處擴張，在西部的海溝處潛沒，因為潛沒的速度比擴張的快，所以逐步縮小。海底擴張說可以解釋大陸漂移的動力學(xué)機制，使大陸漂移說重新興起，主張地殼存在大規(guī)模漂移運動的觀點取得了勝利，也為板塊構(gòu)造說的建立奠定了基礎(chǔ)。

    在大陸漂移學(xué)說和海底擴張學(xué)說的基礎(chǔ)上，同時基于對大量海洋地質(zhì)、地球物理、海底地貌等資料的綜合分析，1967至1968年，美國普林斯頓大學(xué)地球物理學(xué)家摩根、英國劍橋大學(xué)地球物理學(xué)家丹·麥肯齊和R.L.帕克，以及當時在拉蒙特地質(zhì)觀測所工作的法國地球物理學(xué)家勒·皮雄，聯(lián)合發(fā)表了幾篇論文，提出了地球板塊構(gòu)造學(xué)說。板塊構(gòu)造學(xué)說是現(xiàn)代最盛行的全球構(gòu)造理論。這個學(xué)說認為，地球的巖石圈不是整體一塊，而是被地殼的生長邊界分割成許多構(gòu)造單元，這些構(gòu)造單元叫做板塊。

    勒·皮雄將全球地殼劃分為六大板塊，即太平洋板塊、亞歐板塊、非洲板塊、美洲板塊、印度洋板塊（包括澳洲）和南極洲板塊。其中太平洋板塊幾乎完全是在海洋，其余五大板塊都包括大塊陸地和大面積海洋。大板塊還可劃分成若干次級小板塊。一般說來，板塊內(nèi)部的地殼比較穩(wěn)定，板塊與板塊之間的交界處，是地殼活動比較頻繁和不穩(wěn)定的地帶。地球表面的基本面貌，是由板塊相對移動而發(fā)生的彼此碰撞、擠壓和漲裂而形成的。

    據(jù)地質(zhì)學(xué)家估計，大板塊每年可以移動1-6厘米，速度雖然很小，但經(jīng)過億萬年后，地球的海陸面貌就會發(fā)生巨大的變化，當兩個板塊逐漸分離時，在分離處即可出現(xiàn)新的凹地和海洋；地幔物質(zhì)的對流上升也在大陸深處進行著，在上升流涌出的地方，在板塊漲裂的地區(qū)，常形成裂谷和海洋，東非大裂谷和大西洋就是這樣形成的。當大洋板塊和大陸板塊相互碰撞時，大洋板塊因密度大、位置較低，便俯沖到大陸板塊之下插入地幔之中，在俯沖地帶由于拖曳作用形成深海溝。大洋殼被擠壓彎曲超過一定限度就會發(fā)生斷裂，發(fā)生地震，最后大洋殼被擠到700公里以下，為處于高溫熔融狀態(tài)的地幔物質(zhì)所吸收熔化。這里形成海溝，成為海洋最深的地方，大陸板塊受擠上拱，隆起成島弧和海岸山脈。太平洋西部的深海溝和島弧鏈，就是太平洋板塊與亞歐板塊相撞形成的。太平洋周圍分布的島嶼、海溝、大陸邊緣山脈和火山、地震也是這樣形成的。

    大洋的發(fā)展與大陸的分合是相輔相成的。在前寒武紀時，地球上存在一塊泛古陸。以后經(jīng)過分合過程，到中生代早期，泛大陸再次分裂為南北兩大古陸。到三疊紀末，這兩個古陸進一步分離、漂移，相距越來越遠，其間由最初一個狹窄的海峽，逐漸發(fā)展成現(xiàn)代的印度洋、大西洋等巨大的海洋。而大陸則是由不同時代的板塊不斷發(fā)生漂移、擠壓、碰撞、斷裂、拼合、隆起和增生演化。在兩個大陸板塊相碰撞處，常形成巨大的山脈。到3000多萬年前的新生代，由于印度已北漂到亞歐大陸的南緣，兩者發(fā)生碰撞，青藏高原隆起，造成宏大的喜馬拉雅山系，古地中海東部完全消失；非洲繼續(xù)向北推進，古地中海西部逐漸縮小到現(xiàn)在的規(guī)模；歐洲南部被擠壓成阿爾卑斯山系，南、北美洲在向西漂移過程中，它們的前緣受到太平洋地殼的擠壓，隆起為科迪勒拉-安第斯山系，同時兩個美洲在巴拿馬地峽處復(fù)又相接；澳大利亞大陸脫離南極洲，向東北漂移到現(xiàn)在的位置。于是海陸的基本輪廓發(fā)展成現(xiàn)在的規(guī)模。

    1968年，在美國科學(xué)基金會的資助下，斯克里普斯海洋研究所等五個單位開始聯(lián)合實施“深海鉆探計劃”，前后歷時15年，重點研究洋殼的組成、結(jié)構(gòu)和演化。大量的勘探成果和數(shù)據(jù)，驗證了海底擴張說和板塊構(gòu)造說的基本論點，對近代地質(zhì)理論和實踐作出了不可替代的貢獻。

百年地學(xué)研究的啟示

    突破傳統(tǒng)，提出新思想、新學(xué)說，需要非凡的勇氣、自信、想象力和嚴謹?shù)目茖W(xué)思維，以及執(zhí)著追求探索真理的毅力，這些品格和特點在魏格納等人身上得到了充分體現(xiàn)。

    回顧魏格納等人的成就，我們從中獲得的不僅是新的地球科學(xué)知識，更可得到多方面的啟示。

    啟示之一：創(chuàng)新需要勇氣和自信，需要科學(xué)非凡的想象力和嚴謹?shù)目茖W(xué)思維。

    突破傳統(tǒng)，提出新思想、新學(xué)說，需要非凡的勇氣和自信，愛因斯坦、達爾文如此，魏格納也如此。提出新假說、創(chuàng)造新理論、創(chuàng)造新技術(shù)，除了勇氣和自信以外，還需要想象力和嚴謹?shù)目茖W(xué)思維，認真踏實地實施驗證，需要收集獲取大量的證據(jù)和綜合分析的能力，需要扎實的數(shù)理基礎(chǔ)，更需要有對探索自然強烈的興趣和執(zhí)著追求探索真理的毅力。這些品格和特點在魏格納、赫斯、丹·麥肯齊和勒·皮雄等人的身上都得到了充分的體現(xiàn)。提出創(chuàng)新學(xué)說和理論之時，他們都還很年輕，但他們不囿于傳統(tǒng)觀念，也不迷信權(quán)威。魏格納提出大陸漂移說時是32歲，瓦因?qū)５讛U張說作出貢獻時只有22歲，摩根、丹·麥肯齊和勒·皮雄提出地球板塊構(gòu)造學(xué)說時分別只有32歲、26歲和31歲?？梢姡嗄耆溯^少受傳統(tǒng)思想和理論的局限和束縛，只要不迷信、不盲從，而是堅持思考、勇于創(chuàng)新、求真務(wù)實、嚴謹論證，一定能夠做出大成就。

    啟示之二：地球科學(xué)是一門跨學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)。

    地球科學(xué)研究具有全球性、交叉性、復(fù)雜性、長期性的特點，諸如大陸漂移和地球板塊構(gòu)造學(xué)說、當前人們關(guān)注的能源資源分布、氣候變化、海洋和極地研究等，都是全球問題。這就提示我們，地球科學(xué)家在研究本土和區(qū)域問題時，必須以全球視野審視面對的科學(xué)問題，積極關(guān)注、參與全球問題研究。

    近現(xiàn)代以來，地球科學(xué)更是顯示出多學(xué)科交叉融合的特點。近百年來，地球科學(xué)不僅與物理、化學(xué)等交叉衍生出地球物理、地球化學(xué)等新的分支學(xué)科，而且物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、生命科學(xué)、信息科學(xué)與工程技術(shù)等也深刻融入地球科學(xué)，并已經(jīng)成為地球科學(xué)研究的核心內(nèi)涵、知識基礎(chǔ)或重要手段。

    地球組成與結(jié)構(gòu)、演化過程、動力機制復(fù)雜而多樣，它不但由地核、地幔、地殼巖石圈、土壤和水圈、生物圈、大氣圈等緊密關(guān)聯(lián)相互作用，而且還受到天體相互作用和人類活動的影響，是一個多層次、多因子、多變量的復(fù)雜大系統(tǒng)，必須創(chuàng)造新的系統(tǒng)研究分析方法，創(chuàng)造新的研究工具和手段。地球科學(xué)研究的對象復(fù)雜多樣，都需要經(jīng)歷成千上萬乃至上億年的演化，需要用各種方式收集數(shù)據(jù)并用不同的數(shù)學(xué)方法分析處理。地球科學(xué)假設(shè)、學(xué)說、理論不但需要實驗、科學(xué)鉆探和物理、化學(xué)探測和分析的驗證，有時還需要等待其他領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的進展或探測分析手段和方法創(chuàng)新，需要經(jīng)歷長時間甚至幾代人不懈的探索觀察、分析檢驗和發(fā)展完善。因此，地球科學(xué)家應(yīng)該有更廣博扎實的知識和學(xué)科基礎(chǔ)，更執(zhí)著、嚴謹?shù)目茖W(xué)精神，更能夠承受得起自然風(fēng)險、學(xué)術(shù)爭論和各種困難和挫折，更有勇氣和毅力、耐得住寂寞，這些也對地球科學(xué)人才培養(yǎng)和研究條件與環(huán)境都提出了要求，值得我們認真思考與改進。

    啟示之三：應(yīng)為地球科學(xué)研究創(chuàng)造更加良好的條件和環(huán)境。

    地球是人類以及我們的子孫后代賴以持續(xù)生存繁衍的家園，我們不僅要認知地球的今天，還應(yīng)該了解地球的過去、它的演化進程和動力機制。魏格納等人的貢獻不僅僅在于其偉大的學(xué)科理論價值，更在于這一新的理論所帶來的精神、物質(zhì)和社會價值，它從根本上改變了人類對地球的系統(tǒng)認知，深刻影響了人類的科學(xué)觀、自然觀、發(fā)展觀和價值觀，充分體現(xiàn)了人類對于地球系統(tǒng)認知突破的意義和價值。

    人類對自然的探索和認識永遠都不會終結(jié)，科學(xué)研究有著永無止境的前沿。我們應(yīng)為地球科學(xué)的發(fā)展創(chuàng)造更加良好的條件和環(huán)境。地球科學(xué)的全球性決定了無論是地球科學(xué)基礎(chǔ)研究，還是資源能源、生態(tài)環(huán)境、氣候變化、自然災(zāi)害應(yīng)對等，都需要開放交流合作。

    隨著我國經(jīng)濟實力的增強，政府應(yīng)當為支持全球科學(xué)合作做出更大的貢獻，尤其應(yīng)當支持我國科學(xué)家提出和自主參與的全球和區(qū)域合作項目。為了適應(yīng)地球科學(xué)前沿研究的需要，我們應(yīng)當鼓勵多學(xué)科交叉融合，促進大學(xué)地學(xué)學(xué)科的課程設(shè)置和教學(xué)改革，促進地球科學(xué)研究機構(gòu)、組織結(jié)構(gòu)和人才隊伍結(jié)構(gòu)的調(diào)整優(yōu)化，鼓勵更多更優(yōu)秀的物理、化學(xué)、信息、工程技術(shù)專家和數(shù)學(xué)家等投身地球科學(xué)研究。

    鑒于地球科學(xué)研究對象的特殊性和復(fù)雜性，不僅需要?用各類高技術(shù)大科學(xué)工程手段進行現(xiàn)場探測，還需要創(chuàng)新實驗室先進理化儀器精確分析，需要進行大規(guī)模數(shù)字和物理模擬仿真。地球科學(xué)基礎(chǔ)前沿研究多具有公益性，國家應(yīng)該根據(jù)地球科學(xué)研究的重大科學(xué)目標和實際需要，支持建設(shè)和加強相應(yīng)的重點實驗室等，為地球科學(xué)基礎(chǔ)前沿研究提供先進的公共平臺，為地球科學(xué)研究提供更多長期、穩(wěn)定的支持，培養(yǎng)、吸引和穩(wěn)定優(yōu)秀人才和團隊。同時，改革對地球科學(xué)基礎(chǔ)前沿研究和人才的評價方法，使其更加符合地球科學(xué)研究創(chuàng)新發(fā)展的規(guī)律，為我國地球科學(xué)實現(xiàn)跨越發(fā)展，建設(shè)地球科學(xué)強國，支持引領(lǐng)科學(xué)、和諧、可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造更加良好的條件和環(huán)境。

    （經(jīng)演講者本人審閱，本報有刪節(jié)）