地球的磁场:年轻地球的证据

04 11月 2015
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作者:约拿单·萨法提             翻译:中国创造论团契  

原文见: http://creation.com/the-earths-magnetic-field-evidence-that-the-earth-is-young

                                                                                                                

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地球磁场的方向与地球南北极轴线几乎重合,仅差 11.5°。这是我们这个星球的一个极妙的设计:不但让我们可以用指南针导航,也能保护我们免受来自太阳的危险带电粒子的伤害。同时,地球磁场也是一个支持年轻地球论的有力证据,正如圣经所启示的。

在1970年代,物理学教授兼创造论学者托马斯•巴恩斯(Thomas Barnes)博士注意到,从1835年至今的地球磁场测量数据,显示磁场强度每100年衰减5%1,(另外,考古测量发现,在公元1000年地球磁场的强度比今天的高40%2)。巴恩斯曾撰写过一本著名的电磁学教科书3,提出地球的磁场是由金属地核中不断衰减的电流所产生的。他算出这个电流衰减的时间不可能超过一万年,否则电流的起始强度足以熔化整个地球。因此地球的年龄必定小于这个时间。

 

进化论者的回应

电流衰减模型显然与进化论者所需要的数十亿年不相符,所以他们青睐的是自我维持的发电机模型。这个模型认为,地球的自转和对流效应会使地球外核中的液态镍/铁发生转动,而这些液态金属内正负电荷的运转速度会有差异,从而产生电流,进而产生磁场。但是经过半个世纪的研究,科学家们还没有提出一个可行的模型,该模型存在着许多问题。4

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然而巴恩斯的年轻地球理论所面临的主要挑战是地球磁场曾经多次翻转的证据,即指南针的“N”端会指向地球南极而不是北极。火山熔岩和火山灰流中常见的磁性矿物颗粒在冷却至低于其居里点(570°C,即1060°F)时,部分磁畴会与当时地球磁场的方向对齐。一旦熔岩完全冷却,磁性矿物颗粒的排列方向将被定格。由此我们就有一个地球磁场方向的永久记录了。

虽然进化论者对地球磁场翻转没有很好的解释,但他们据此认定巴恩斯博士的单向衰减模型不成立。同时,在他们的模型里面,一次磁场翻转至少需要数千年,并且按照他们对年代测定的假设,这些磁场翻转彼此间隔数百万年,由此证明地球是古老的。

 

创造论者的回应

物理学家拉塞尔•汉弗莱斯博士(Dr Russell Humphreys)认为巴恩斯博士的想法是正确的,同时他也承认地球磁场有过翻转是事实。他修正了巴恩斯的模型,引进液态导体(如地球外核中的熔融金属)的特殊效应。液态导体向上流动(由于对流作用——热的液体上升冷的液体下沉)有时可导致磁场迅速翻转。5,6  在1997年第19期《创造》杂志中,约翰•鲍姆加德纳博士(Dr John Baumgardner)提出,地壳构造板块的下陷是造成《圣经•创世记》所记载的大洪水的一个原因(见在线版本)。汉弗莱斯博士说,这些板块的活动会使地核外层急剧冷却,形成对流。这意味着大多数的地球磁场翻转发生在《创世记》所记载的大洪水时期,每个礼拜或每两个礼拜发生一次。并且在大洪水之后,由于上述地壳板块活动的余波,地球的磁场还有很大的波动。然而这些翻转和波动没有使地球磁场的衰减停止,反而加剧了磁场总能量的衰减(见上图) 8

这个模型还解释了太阳的磁场每11年会发生翻转的原因。太阳是一个巨大的由炽热的、高速运动中的导电气体组成的星球。与电机模型描述的相反,整个太阳磁场的能量正在不断减少。

汉弗莱斯博士也提出了检验他的模型的一个方案——在已知的于数天或数周内冷却的熔岩中,应该会检测到这种地球磁场迅速翻转的现象。例如,在一层很薄的熔岩层中,其外层会最先冷却,并记录了当时地球磁场的方向,而其内层冷却时,却记录了与外层不同的地球磁场朝向。

在这个预测发表3年后,这一领域领军的科学家罗伯特•科(Robert Coe)和米歇尔•皮沃(Michel Prévot)发现了一个冷却时间在15天以内的薄熔岩层,其中的磁性物质连续记录了90°的磁场翻转。9 而且这并不是个别现象,8年之后,他们又报告了另一个更快的翻转现象。10 这一发现令他们以及其他的进化论者愕然,却有力地支持了汉弗莱斯的模型。(参见汉弗莱斯博士的在线文章《地球的磁场是年轻的》。)

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结论

地球磁场不但是一个得力的导航助手及阻隔太空有害粒子的屏障,同时也是反对进化论和数十亿年古老地球论的有力证据。地球磁场清晰的衰减模式表明,地球的年龄不可能超过10000年。

2014年8月29日更新,最近,加州理工学院的地球物理学家戴维•史蒂文森(David Stevenson)承认了地球磁场给古老地球论带来的难题:

“现在,我们对地核的认识出现了一个问题,这个问题只是在过去的一两年内才出现。这个问题非常严重。我们无法理解,地球的磁场是如何维持了数十亿年的。我们知道自地球存在以来大部分的时候都是有磁场的,但是我们不知道地球磁场是如何维持了这么长时间的。对于地核在其整个历史中(数十亿年)如何运作,我们现在所明白的比10年之前我们自以为所明白的更少。11

(参考文献之后附有《地球磁场的产生》,介绍汉弗莱斯的学说)

 

参考文献

  1. L. McDonald and R.H. Gunst, ‘An analysis of the earth’s magnetic field from 1835 to 1965,’ ESSA Technical Report, IER 46-IES 1, U.S. Govt. Printing Office, Washington, 1967.

  1. T. Merrill and M.W. McElhinney, The Earth’s Magnetic Field, Academic Press, London, pp. 101–106, 1983.

  1. G. Barnes, Foundations of Electricity and Magnetism, 3rded., El Paso, Texas, 1977.

  1. 对海底电流的测量挑战着最流行的一类发电机模型。J. Lanzerotti et al., Measurements of the large-scale direct-current earth potential and possible implications for the geomagnetic dynamo, Science229:47–49, 5 July 1986. 测量到的地球磁场衰减速度也足以产生维持今天的磁场强度所需要的电流,也就是说,即使曾经有地磁发电机的运行,但今天已经没有了。

  1. R. Humphreys, Reversals of the earth’s magnetic field during the Genesis Flood, Proceedings of the First International Conference on Creationism, Creation Science Fellowship, Pittsburgh, 2:113–126, 1986. 运动中的导电液体带有磁通线,这将产生新电流,和新的方向相反的磁通量,另请参见The interview of Humphreys Creation 15(3):20–23, 1993.

  1. Humphreys, D.R., Physical mechanism for reversals of the earth’s magnetic field during the flood, Proceedings of the Second International Conference on Creationism, Creation Science Fellowship, Pittsburgh, 2:129–142, 1990. 巴恩斯博士曾经由于没有找到合适的物理机制而反对地球磁场翻转,他如此回应(141页):“汉弗莱斯提出一个新的合理的物理机制来解释地球磁场的翻转。”

  1. R. Humphreys, Discussion of J. Baumgardner, Numerical simulation of the large-scale tectonic changes accompanying the Flood, Proceedings of the First International Conference on Creationism, Creation Science Fellowship, Pittsburgh, 2:29, 1986.

  1. 在《创世纪》大洪水的时期以及洪水之后,地球磁场强度(B)上下波动,但地球磁场的总能量是在不断下降的。能量是B2的体积积分。

  1. S. Coe and M. Prévot, Evidence suggesting extremely rapid field variation during a geomagnetic reversal, Earth and Planetary Science92(3/4):292–298, April 1989. 另参见 Dr Andrew Snelling, Fossil magnetism reveals rapid reversals of the earth’s magnetic fieldCreation 13(3):46–50, 1991。 The Earth’s magnetic field and the age of the EarthCreation 13(4):44–48, 1991.

  1. S. Coe, M. Prévot and P. Camps, New evidence for extraordinarily rapid change of the geomagnetic field during a reversal, Nature374(6564):687–692, 1995; see also A. Snelling, The principle of ‘least astonishment’Journal of Creation 9(2):138–139, 1995.

  1. Cited in: Folger, T., Journeys to the Center of the Earth: Our planet’s core powers a magnetic field that shields us from a hostile cosmos. But how does it really work? Discover, July/August 2014.

地球磁场的产生

汉弗莱斯提出的学说

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汉弗莱斯博士提出,上帝用水造了地球。1他以几处的圣经经文为依据,如彼得后书3章5节(从太古凭神的命有了天,并从水而出藉水而成的地)得出结论地球是从水而出,且借水而成。而在地球形成以后,上帝可能将大部分水转变成了其他物质如岩石矿物。水分子含有氢原子,而氢的原子核是一个微小的磁性物质。通常,水中这些磁核的磁性会相互抵消,所以水作为一个整体几乎是没有磁性的。但汉弗莱斯提出,上帝创造水时,让这些小磁核排列整齐,被造之后这些磁核马上随机排列,地球的磁场也因此开始衰减。这会导致地心产生电流,根据汉弗莱斯的模型,除了在大洪水时期形成许多翻转之外,这电流接着会按照巴恩斯的模型渐渐衰减。

 

其它行星的磁场所观测到的支持证

由旅行者号探测器拍摄的海王星照片

汉弗莱斯博士也按照这个模型计算了其它行星和太阳的磁场。前提假设是这些天体的原始材料是水,重要的影响因子包括天体的质量、其核心的大小和导电性能。汉弗莱斯博士的模型成功地解释了一些令支持发动机模型的学者不得其解的天体特性。例如,令进化论者感到困惑的“月球磁场之谜”2 ——虽然月球每个月只自转一次,但它却曾经拥有一个强大的磁场。另外,按照进化模型所述的月球起源,它从未有过“发电机”理论成立所必需的条件——熔融核心。同时,水星比地球的自转速度慢59倍,若按照“发电机”理论计算,其磁场强度将远远小于我们现在所观测到的数据。

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更为重要的是,在1984年,汉弗莱斯博士预测了天王星、海王星(比土星更外层的两个巨大的气体行星)的磁场强度。他所预测的磁场强度比进化论者的“发电机”模型所预测的大了约100,000倍。当旅行者2号探测器分别在1986年和1989年飞近这些天体时,这两个对立的模型就碰巧被一起检验了。天王星和海王星3的磁场强度与汉弗莱斯所预测的一样。4 然而仍然有许多反创造论者宣称创造论是“不科学的”,因为创造论不能做出预测!

汉弗莱斯的模型还解释了为什么木星那些有核心的卫星会有磁场,而木星的4号卫星因为没有核心就没有磁场。5 (参见汉弗莱斯博士的在线文章《海王星之外:旅行者二号探测器支持创造论》)

 

地球磁场的起源

许多物质,比如铁,是由很多像小磁铁一样的微小磁畴组成的。磁畴是由很多更小的原子组成的,这些原子本身就是些微磁核,他们在磁畴内同向排列。通常情况下这些小磁畴所产生的磁场会互相抵消,但在磁铁中(如指南针),有多一些的磁畴朝同一个方向排列,这样在整体上就会形成一个磁场。

地核的主要成分是铁和镍,地球磁场的形成原理是否和指南针的形成一样呢?绝非如此!当地心温度高于一个叫“居里点”的温度时,磁畴就被打散了。地心中最冷区域的温度约为3400 – 4700°C (6100 – 8500°F),这个温度要比所有已知物质的居里点高得多。

但在1820年,丹麦物理学家奥尔斯泰德( H.C. Ørsted) 发现电流能够产生磁场。若没有这个发现,就没有今天的电动马达。那么,地球磁场会否是由电流产生的呢?电动马达需要有电源,但通常在电源切断的瞬间电流也就立即衰减了(超导体除外)。所以如果没有电源,地球内部的电流是怎么产生的呢?

伟大的创造论物理学家迈克尔•法拉第(Michael Faraday)在1831年回答了这个问题,他发现,一个变化的磁场会产生电压,这就是发电机的原理。

让我们设想,地球受造之后在地心有一个巨大的电流,这将产生一个强大的地球磁场。但因没有电源,电流会衰减,磁场也会随之衰减。磁场变化时就会产生电流,强度较小但与原来的电流方向相同。

所以,衰减中的电流产生衰减中的磁场,磁场的衰减进而产生衰减中的电流,按照这个模式,如果导电回路的尺寸足够大,电流需要很长一段时间才会消失。衰减的速率可以精确地计算,而且衰减总是呈指数曲线。电能并非消失,而是转化成热量,这个转化过程是由创造论物理学家詹姆斯•焦耳(James Joule)在1840年发现的。

这是巴恩斯博士的模型的基础。

 

 

附录:对怀疑者的回应

电流呈指数衰减吗?

一些怀疑论者宣称磁场不该呈指数衰减,而应该呈线性。指数和线性这两种衰减曲线都各有两个适应参数:

  • 指数衰减曲线(i = Ie-t/τ) 的参数I和τ。

  • 线性衰减直线的一般形式为y = mx+c,需要参数:斜率m和y轴截距c。

如果两条拟合曲线近似,从统计学角度就没有取一个而舍另外一个的理由。就现有的有限范围内的数据来看,两种拟合非常近似,没有显著差异。

然而,在回归分析里,当有扎实的理论支持时,大家普遍认为应该使用有意义的方程式来模拟物理现象。这里的情况就是如此。在切断电源后,电流在电阻或电感电路中总是以指数而不是线性的方式进行衰减。

例如,在一个简单的电路中,在时间点t,电流起始强度为I,电路电阻为R,其电感为L,电流强度的表达式为i = Ie-t/τ。这里的τ是时间常数,τ=L/R,即电流衰减到初始值的1/e(大约为37%)所经过的时间。若一个球体的半径是R,其电导率是σ,磁导率为μ,则τ=μσR²/π²。

线性衰减看起来或许很漂亮,但把它应用在实际的物理电路中却是很荒谬的。事实上,线性衰减在自然界中是非常罕见的。相反,指数衰减则有着牢靠的电磁理论基础。

托马斯•巴恩斯(Thomas Barnes)首先指出地球磁场的衰减对于进化论者是一个挑战。他是一位电磁学专家,并在这个领域有一些广受好评的教科书,而大多数批判他的人却是彻头彻尾的门外汉。

另外一个要点是,这些计算指出地球的年龄存在一个上限。即使怀疑论者坚持的线性衰减模型是对的,地球的最大年龄也不会超过9000万年,而这个时间对于进化论来说是太短了。

最后,如果地球的磁场真是呈线性衰减的话,我们距离地球磁场消失已经没有多少时间了!

 

多极的地球磁场

一些怀疑者声称:

“…只有偶极子磁场的强度在这一个半世纪的时间内发生了衰减,……而非偶极子磁场的强度(约占总磁场强度的15%)在这段时间内却增强了,所以地球磁场的总强度几乎维持恒定。巴恩斯关于地球磁场在此前的历史年代中持续稳定衰减的理论也显然与古地磁学中地磁的波动和翻转证据相冲突 (艾克尔(Ecker,1990,105)。”

这个“权威”,原来是一本反创造论的词典,由一个反基督教的图书管理员所编辑的,并且据我们所知,他没有经过任何科学训练!

2001年7月汉弗莱斯博士的回应:

“达尔文教派”的祷词:“非偶极子地球磁场会拯救我们!” 这实在是一个古老并不值一提的进化论观点。在1970年代,托马斯•巴恩斯在他的论文中已经讨论了这个问题。在我的论文“大洪水时代地球磁场翻转的物理机制” 的结尾部分也讨论了这个问题。”6

“地球超过90%的磁场是偶极的(有南北两极),其余的是非偶极或称为多极的,如四极(两个磁南极和两个磁北极)或者八极(四个磁北极和四个磁南极)等。这种情况就像有几个条形磁铁成不同角度绑在一起。

在1970年代,进化论者声称从地球磁场的偶极部分消失的巨大能量(单位是焦耳或尔格)并没有转化为热量,而是以某种形式被存储在非偶极部分中,后来再恢复成为反向的偶极子。某些论文显示,有些非偶极部分的平均磁场强度(单位是特斯拉或高斯)稍有增加。7

“但磁场强度不是能量。要计算出某部分的总能量,必须将每个点周围的小体积范围内的磁场强度平方再乘以体积和一个常数,并将所有空间每一点计算出的能量值加起来。非偶极子的场强度随着离地心距离的增加而下降的速度比偶极子快得多,所以非偶极部分对地球磁场总能量的贡献远不如偶极部分多。这意味着,某些非偶极子磁场强度的稍微增加,并不能补偿每年从偶极部分衰减掉的大量的能量。

“我十分怀疑所引用的论文能够证明进化论者的论点:“非偶极磁场能量的增加弥补了偶极磁场能量的衰减”。不仅我以上所做的估算与此不符,我于1990年国际创造论大会发表的论文提及的地球磁场翻转理论也不同意【下文表明,汉弗莱斯博士 (以及任何检视这些数据的人)现在不再怀疑,他知道进化论者的宣称是错误的】。我的论文说会有一些能量进入非偶极部分,但不足以弥补了偶极部分衰减掉的能量。我提出的磁极翻转过程并不节能,它消耗大量的能量,变成为热能。我在创造研究院网站上的文章的倒数第二部分(“地球磁场的能量一直在下降”)讨论了这个问题,其中包括了对非偶极磁场的讨论。

作为进一步的证据,我使用了权威的国际地磁参考场(IGRF)的数据——关于整个20世纪地球磁场变化的2500多个测量值,结论是:

在地球磁场记录最准确的时期,即从1970年到2000年, 地球磁场的总能量(包括偶极场和非偶极场)稳步下降了1.41±0.16%。以这样的速度,地球磁场每隔1500年(±100年)就会损失至少一半的能量。这个事实支持创造论的模型:自从上帝6000年前创造了地球以来,地球磁场的能量在不断衰减,即使在《创世记》所述的大洪水年代,地球磁场发生翻转时也是如此。

另一方面,进化论者没有合理可行的,可用数学分析的地磁翻转理论。进化论者声称,无论造成地球磁场翻转的原因是什么,翻转过程是无能量损耗的——也就是说,他们希望中将来偶极场的总能量会与其上一个峰值相等 (大约是基督在世的时间,即约2000年前)。也就是说,进化论者对于地球磁场存在了几十亿年的的信念,要求他们相信它的每一个周期都会是一次凤凰涅磐——从灰烬中重生,没有任何能量的损失。

“换句话说,“达尔文教派”要求他们相信热力学第二定律(即所有形式的能量都将退化成热能),并不适用于地球的磁场。这听起来是否很耳熟呢?”

后来,汉弗莱斯博士发表了他的论文《地球磁场仍在不断失去能量》(CRSQ 39(1)1-11,2002年3月),其中更加详细地解释了以上论点。其摘要是这样写的:

本文填补了一个地球年轻论的漏洞,该漏洞是基于地球磁场中各个部分能量的损失。进化论者使用1967年模棱两可的数据,声称地球磁场的次要部分(非偶极子)获得的能量足以弥补其主要部分(偶极子)的能量损失。然而,他们中似乎并无一人曾使用更新更准确的数据来验证这个论点。我用国际地磁参考场数据(IGRF)证明从1970年到2000年,偶极部分的磁场稳定地失去了2350±50亿兆焦的能量,而非偶极部分只获得了1290±80亿兆焦的能量。在那30年期间,所有可观测到的磁场能量总和净亏损1.41±0.16%。以这样的速度,地球磁场每1465±166年将失去一半的能量。结合我在1990年提出的解释《创世记》大洪水年代地球两极磁场翻转及其后发生的磁场强度波动的理论,这些新数据支持创造论者的模型:自从上帝6000年前创造了地球以来,地球磁场一直在迅速而且持续地散失能量。

 

 

参考文献

  1. Russell Humphreys, The creation of planetary magnetic fields, Creation Research Society Quarterly 21(3):140–149, 1984.

  2. L. Hood, The enigma of lunar magnetism, Eos 62(16):161–163.

  3. 挑战者号对天王星和海王星所做的测量分别是0和1.5 x 1024 J/T。 N.F. Ness et al., Magnetic fields at Uranus, Science 233:85–89, 1986; A.J. Dessler, Does Uranus have a magnetic field? Nature 319:174–175, 1986; R.A. Kerr, The Neptune system in Voyager’s afterglow, Science 245:1450–51.

  4. 汉弗莱斯博士预测的磁场强度的数量级是1024 J/T—Creation Research Society Quarterly 27(1):15–17, 1990. 天王星和海王星的磁轴离球心很远 (是星球半径的3 和 0.4),并且与星球自转轴的角度很大(60°和50°)。这是发电机理论学者面对的一大谜团,但是可以通过给整个太阳系造成影响的一次灾难进行解释。(见太阳系的启示).

  5. Magnetic moon findings support creationist’s theory Creation 19(4):8, 1997.

  6. Humphreys, D.R., Physical mechanism for reversals of the earth’s magnetic field during the flood, Proceedings of the Second International Conference on Creationism, Creation Science Fellowship, Pittsburgh, 2:129–142, 1990.

  7. Barraclough, D.R., J. Roy. Astr. Soc., 43:645–659, 1975.

 


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