有一個未解之謎,困擾了數代科學家:我們的地球裏面,那個冥王星大小的地核,其外部是液態的,而內部是卻是固態的金屬。對,固態的——即使它的温度幾乎和太陽表面一樣高。怎麼可能呢?瑞典科學家覺得自己找到了答案。
金屬立方體
金屬中的原子排列呈晶體結構。這種結構會隨着温度和壓力變化。在我們所知的常温常壓下,金屬原子會呈現我們所熟知的體心立方( body-centered cubic)結構——在這種經典的結構下,原子排列在立方體的八個角上和一箇中心點上。在極端高壓下,金屬的結構則會變成所謂的密排六方晶格( hexagonal close-packed )結構,密排六方晶格中十二個金屬原子分佈在六方體的十二個角上。
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你能想象嗎? 地核的壓力是地表壓強的三百五十萬倍。所以你覺得地核的金屬晶體結構可能會是六方形。科學家也是這麼想的:他們覺得方形結構是不可能存在於那種條件之下的。不過2017年2月的一份刊登出的報告提出了不一樣的觀點,來自瑞典斯德哥爾摩 KTH 皇家科技學院的科學家們,分析了大量的數據,得出了一個驚人的結論。
洗牌
研究人員使用大量的超計算機分析了三年前加州的 Livermore Lawrence 國家實驗室的大量數據。他們發現,地核確確實實是個方形結構。在常規的温度(不是常温)下,方形結構是不穩定的,原子「平面」很容易滑動,脱離這個結構,於是金屬就成液態的了。不過在地核這種極端環境之下,原子移動十分迅速,但它們之間的距離很近。所以,其實原子無處可跑。就像一節擁擠的地鐵車廂,人在裏面動,也只能是互相交換位置,總體的形狀是不會變的。
「這個滑動的過程,有點像一副撲克牌洗牌,」共同作者 Anatoly Belonoshko 解釋到。「即使洗完之後,每張牌的位置不一樣了,但還是那一副牌。同樣的道理,原子的位置變了,但原子的方形結構也不會變。」
這個理論不僅僅解釋了為什麼地核是固體的,還能夠解釋,為什麼地震波當中,縱波比橫波快。原子在方形結構中移動的時候,會給地核這個金屬塊增加「紋理」,這種紋理和木頭上的紋理類似,會給地震波的傳播帶來偏向性。知道了些關於地球內部結構的知識,能夠幫助我們預測未來會發生的事情。