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地球的磁場:年輕地球的證據

作者:約拿單· 薩法提(Jonathan Sarfati)
翻譯:中國創造論團契

北極光
北極光是由外太空的帶電粒子衝擊地球大氣層而產生的自然現象,這些外太空的帶電粒子受地球磁場引導而落入兩極(同時另外一些帶電粒子被磁場折返太空。)。
照片來源: Wikipedia.org

地球磁場的方向與地球南北極軸線幾乎重合,僅差 11.5°。這是我們這個星球的一個極妙的設計:不但讓我們可以用指南針導航,也能保護我們免受來自太陽的危險帶電粒子的傷害。同時,地球磁場也是一個支持年輕地球論的有力證據,正如聖經所啓示的。

在1970年代,物理學教授兼創造論學者托馬斯‧巴恩斯(Thomas Barnes)博士注意到,從1835年至今的地球磁場測量數據,顯示磁場強度每100年衰減5%1,(另外,考古測量發現,在公元1000年地球磁場的強度比今天的高40%2)。巴恩斯曾撰寫過一本著名的電磁學教科書3,提出地球的磁場是由金屬地核中不斷衰減的電流所產生的。他算出這個電流衰減的時間不可能超過一萬年,否則電流的起始強度足以熔化整個地球。因此地球的年齡必定小於這個時間。

進化論者的回應

電流衰減模型顯然與進化論者所需要的數十億年不相符,所以他們青睞的是自我維持的發電機模型。這個模型認為,地球的自轉和對流效應會使地球外核中的液態鎳/鐵發生轉動,而這些液態金屬內正負電荷的運轉速度會有差異,從而產生電流,進而產生磁場。但是經過半個世紀的研究,科學家們還沒有提出一個可行的模型,該模型存在著許多問題。4

Graph of magnetic field decay over time, showing reversals and fluctuations
地球磁場變化曲線。地球磁場的強度不可能比這裡所示的起始點高太多,這表明地球很年輕。

然而巴恩斯的年輕地球理論所面臨的主要挑戰是地球磁場曾經多次翻轉的證據,即指南針的「N」端會指向地球南極而不是北極。火山熔岩和火山灰流中常見的磁性礦物顆粒在冷卻至低於其居里點(570°C,即1060°F)時,部分磁疇會與當時地球磁場的方向對齊。一旦熔岩完全冷卻,磁性礦物顆粒的排列方向將被定格。由此我們就有一個地球磁場方向的永久記錄了。

雖然進化論者對地球磁場翻轉沒有很好的解釋,但他們據此認定巴恩斯博士的單向衰減模型不成立。同時,在他們的模型裡面,一次磁場翻轉至少需要數千年,並且按照他們對年代測定的假設,這些磁場翻轉彼此間隔數百萬年,由此證明地球是古老的。

創造論者的回應

物理學家拉塞爾‧漢弗萊斯博士(Dr Russell Humphreys)認為巴恩斯博士的想法是正確的,同時他也承認地球磁場有過翻轉是事實。他修正了巴恩斯的模型,引進液態導體(如地球外核中的熔融金屬)的特殊效應。液態導體向上流動(由於對流作用——熱的液體上升冷的液體下沈)有時可導致磁場迅速翻轉。5,6在1997年第19期《創造》雜誌中,約翰‧鮑姆加德納博士(Dr John Baumgardner)提出,地殼構造板塊的下陷是造成《聖經‧創世記》所記載的大洪水的一個原因(見在線版本)。漢弗萊斯博士說,這些板塊的活動會使地核外層急劇冷卻,形成對流。7這意味著大多數的地球磁場翻轉發生在《創世記》所記載的大洪水時期,每個禮拜或每兩個禮拜發生一次。並且在大洪水之後,由於上述地殼板塊活動的餘波,地球的磁場還有很大的波動。然而這些翻轉和波動沒有使地球磁場的衰減停止,反而加劇了磁場總能量的衰減(見上圖) 8

這個模型還解釋了太陽的磁場每11年會發生翻轉的原因。太陽是一個巨大的由熾熱的、高速運動中的導電氣體組成的星球。與電機模型描述的相反,整個太陽磁場的能量正在不斷減少。

漢弗萊斯博士也提出了檢驗他的模型的一個方案——在已知的於數天或數周內冷卻的熔岩中,應該會檢測到這種地球磁場迅速翻轉的現象。例如,在一層很薄的熔岩層中,其外層會最先冷卻,並記錄了當時地球磁場的方向,而其內層冷卻時,卻記錄了與外層不同的地球磁場朝向。

在這個預測發表3年後,這一領域領軍的科學家羅伯特‧科(Robert Coe)和米歇爾‧皮沃(Michel Prévot)發現了一個冷卻時間在15天以內的薄熔岩層,其中的磁性物質連續記錄了90°的磁場翻轉。9且這並不是個別現象,8年之後,他們又報告了另一個更快的翻轉現象。10這一髮現令他們以及其他的進化論者愕然,卻有力地支持了漢弗萊斯的模型。(參見漢弗萊斯博士的在線文章《地球的磁場是年輕的》。)

Drawing of Earth’s magnetic field

環繞地球的「磁力場」

地球的磁場正在衰減。雖然地球磁場翻轉了多次,這一全球性的衰減現象最多也只可能持續了幾千年。進化理論無法合理地解釋地球磁場如何能夠維持數十億年。結論

結論

地球磁場不但是一個得力的導航助手及阻隔太空有害粒子的屏障,同時也是反對進化論和數十億年古老地球論的有力證據。地球磁場清晰的衰減模式表明,地球的年齡不可能超過10000年。

2014年8月29日更新,最近,加州理工學院的地球物理學家戴維‧史蒂文森(David Stevenson)承認了地球磁場給古老地球論帶來的難題:

「現在,我們對地核的認識出現了一個問題,這個問題只是在過去的一兩年內才出現。這個問題非常嚴重。我們無法理解,地球的磁場是如何維持了數十億年的。我們知道自地球存在以來大部分的時候都是有磁場的,但是我們不知道地球磁場是如何維持了這麼長時間的。對於地核在其整個歷史中(數十億年)如何運作,我們現在所明白的比10年之前我們自以為所明白的更少。」11

地球磁場的產生

Swirling cloud

漢弗萊斯提出的學說

漢弗萊斯博士提出,上帝用水造了地球。12他以幾處的聖經經文為依據,如彼得後書3章5節(從太古憑神的命有了天,並從水而出藉水而成的地)得出結論地球是從水而出,且借水而成。而在地球形成以後,上帝可能將大部分水轉變成了其他物質如岩石礦物。水分子含有氫原子,而氫的原子核是一個微小的磁性物質。通常,水中這些磁核的磁性會相互抵消,所以水作為一個整體幾乎是沒有磁性的。但漢弗萊斯提出,上帝創造水時,讓這些小磁核排列整齊,被造之後這些磁核馬上隨機排列,地球的磁場也因此開始衰減。這會導致地心產生電流,根據漢弗萊斯的模型,除了在大洪水時期形成許多翻轉之外,這電流接著會按照巴恩斯的模型漸漸衰減。

從其它行星的磁場所觀測到的支持證據

Neptune

由旅行者號探測器拍攝的海王星照片

漢弗萊斯博士也按照這個模型計算了其它行星和太陽的磁場。前提假設是這些天體的原始材料是水,重要的影響因子包括天體的質量、其核心的大小和導電性能。漢弗萊斯博士的模型成功地解釋了一些令支持發動機模型的學者不得其解的天體特性。例如,令進化論者感到困惑的「月球磁場之謎」13 ——雖然月球每個月只自轉一次,但它卻曾經擁有一個強大的磁場。另外,按照進化模型所述的月球起源,它從未有過「發電機」理論成立所必需的條件——熔融核心。同時,水星比地球的自轉速度慢59倍,若按照「發電機」理論計算,其磁場強度將遠遠小於我們現在所觀測到的數據。

更為重要的是,在1984年,漢弗萊斯博士預測了天王星、海王星(比土星更外層的兩個巨大的氣體行星)的磁場強度。他所預測的磁場強度比進化論者的「發電機」模型所預測的大了約100,000倍。當旅行者2號探測器分別在1986年和1989年飛近這些天體時,這兩個對立的模型就碰巧被一起檢驗了。天王星和海王星14的磁場強度與漢弗萊斯所預測的一樣。15然而仍然有許多反創造論者宣稱創造論是「不科學的」,因為創造論不能做出預測!

漢弗萊斯的模型還解釋了為什麼木星那些有核心的衛星會有磁場,而木星的4號衛星因為沒有核心就沒有磁場。16(參見漢弗萊斯博士的在線文章《海王星之外:旅行者二號探測器支持創造論》)


地球磁場的起源

許多物質,比如鐵,是由很多像小磁鐵一樣的微小磁疇組成的。磁疇是由很多更小的原子組成的,這些原子本身就是些微磁核,他們在磁疇內同向排列。通常情況下這些小磁疇所產生的磁場會互相抵消,但在磁鐵中(如指南針),有多一些的磁疇朝同一個方向排列,這樣在整體上就會形成一個磁場。

地核的主要成分是鐵和鎳,地球磁場的形成原理是否和指南針的形成一樣呢?絕非如此!當地心溫度高於一個叫「居里點」的溫度時,磁疇就被打散了。地心中最冷區域的溫度約為3400–4700°C (6100–8500°F),這個溫度要比所有已知物質的居里點高得多。

但在1820年,丹麥物理學家奧爾斯泰德( H.C. Ørsted) 發現電流能夠產生磁場。若沒有這個發現,就沒有今天的電動馬達。那麼,地球磁場會否是由電流產生的呢?電動馬達需要有電源,但通常在電源切斷的瞬間電流也就立即衰減了(超導體除外)。所以如果沒有電源,地球內部的電流是怎麼產生的呢?

偉大的創造論物理學家邁克爾‧法拉第(Michael Faraday)在1831年回答了這個問題,他發現,一個變化的磁場會產生電壓,這就是發電機的原理。

讓我們設想,地球受造之後在地心有一個巨大的電流,這將產生一個強大的地球磁場。但因沒有電源,電流會衰減,磁場也會隨之衰減。磁場變化時就會產生電流,強度較小但與原來的電流方向相同。

所以,衰減中的電流產生衰減中的磁場,磁場的衰減進而產生衰減中的電流,按照這個模式,如果導電迴路的尺寸足夠大,電流需要很長一段時間才會消失。衰減的速率可以精確地計算,而且衰減總是呈指數曲線。電能並非消失,而是轉化成熱量,這個轉化過程是由創造論物理學家詹姆斯‧焦耳(James Joule)在1840年發現的。

這是巴恩斯博士的模型的基礎。


附錄:對懷疑者的回應

電流呈指數衰減嗎?

一些懷疑論者宣稱磁場不該呈指數衰減,而應該呈線性。指數和線性這兩種衰減曲線都各有兩個適應參數:

  • 指數衰減曲線(i = Ie–t/τ) 的參數I和τ。
  • 線性衰減直線的一般形式為 y = mx + c ,需要參數:斜率m和y軸截距c。

如果兩條擬合曲線近似,從統計學角度就沒有取一個而捨另外一個的理由。就現有的有限範圍內的數據來看,兩種擬合非常近似,沒有顯著差異。

然而,在回歸分析里,當有扎實的理論支持時,大家普遍認為應該使用有意義的方程式來模擬物理現象。這裡的情況就是如此。在切斷電源後,電流在電阻或電感電路中總是以指數而不是線性的方式進行衰減。 例如,在一個簡單的電路中,在時間點t,電流起始強度為I,電路電阻為R,其電感為L,電流強度的表達式為 i = Ie–t/τ,。這裡的τ是時間常數,τ=L/R,即電流衰減到初始值的1/e(大約為37%)所經過的時間。若一個球體的半徑是R,其電導率是σ,磁導率為μ,則τ=μσR²/π².

線性衰減看起來或許很漂亮,但把它應用在實際的物理電路中卻是很荒謬的。事實上,線性衰減在自然界中是非常罕見的。相反,指數衰減則有著牢靠的電磁理論基礎。

托馬斯‧巴恩斯(Thomas Barnes)首先指出地球磁場的衰減對於進化論者是一個挑戰。他是一位電磁學專家,並在這個領域有一些廣受好評的教科書,而大多數批判他的人卻是徹頭徹尾的門外漢。

另外一個要點是,這些計算指出地球的年齡存在一個上限。即使懷疑論者堅持的線性衰減模型是對的,地球的最大年齡也不會超過9000萬年,而這個時間對於進化論來說是太短了。

最後,如果地球的磁場真是呈線性衰減的話,我們距離地球磁場消失已經沒有多少時間了!

多極的地球磁場

一些懷疑者聲稱:

「…只有偶極子磁場的強度在這一個半世紀的時間內發生了衰減,……而非偶極子磁場的強度(約佔總磁場強度的15%)在這段時間內卻增強了,所以地球磁場的總強度幾乎維持恆定。巴恩斯關於地球磁場在此前的歷史年代中持續穩定衰減的理論也顯然與古地磁學中地磁的波動和翻轉證據相衝突 (艾克爾(Ecker,1990,105)。」

這個「權威」,原來是一本反創造論的詞典,由一個反基督教的圖書管理員所編輯的,並且據我們所知,他沒有經過任何科學訓練! 2001年7月漢弗萊斯博士的回應:

「達爾文教派」的禱詞:「非偶極子地球磁場會拯救我們!」 這實在是一個古老並不值一提的進化論觀點。在1970年代,托馬斯‧巴恩斯在他的論文中已經討論了這個問題。在我的論文「大洪水時代地球磁場翻轉的物理機制」 的結尾部分也討論了這個問題。」17

「地球超過90%的磁場是偶極的(有南北兩極),其餘的是非偶極或稱為多極的,如四極(兩個磁南極和兩個磁北極)或者八極(四個磁北極和四個磁南極)等。這種情況就像有幾個條形磁鐵成不同角度綁在一起。

在1970年代,進化論者聲稱從地球磁場的偶極部分消失的巨大能量(單位是焦耳或爾格)並沒有轉化為熱量,而是以某種形式被存儲在非偶極部分中,後來再恢復成為反向的偶極子。某些論文顯示,有些非偶極部分的平均磁場強度(單位是特斯拉或高斯)稍有增加。18

「但磁場強度不是能量。要計算出某部分的總能量,必須將每個點周圍的小體積範圍內的磁場強度平方再乘以體積和一個常數,並將所有空間每一點計算出的能量值加起來。非偶極子的場強度隨著離地心距離的增加而下降的速度比偶極子快得多,所以非偶極部分對地球磁場總能量的貢獻遠不如偶極部分多。這意味著,某些非偶極子磁場強度的稍微增加,並不能補償每年從偶極部分衰減掉的大量的能量

「我十分懷疑所引用的論文能夠證明進化論者的論點:「非偶極磁場能量的增加彌補了偶極磁場能量的衰減」。不僅我以上所做的估算與此不符,我於1990年國際創造論大會發表的論文提及的地球磁場翻轉理論也不同意【下文表明,漢弗萊斯博士 (以及任何檢視這些數據的人)現在不再懷疑,他知道進化論者的宣稱是錯誤的】。我的論文說會有一些能量進入非偶極部分,但不足以彌補了偶極部分衰減掉的能量。我提出的磁極翻轉過程並不節能,它消耗大量的能量,變成為熱能。我在創造研究院網站上的文章的倒數第二部分(「地球磁場的能量一直在下降」)討論了這個問題,其中包括了對非偶極磁場的討論。

作為進一步的證據,我使用了權威的國際地磁參考場(IGRF)的數據——關於整個20世紀地球磁場變化的2500多個測量值,結論是:

在地球磁場記錄最準確的時期,即從1970年到2000年, 地球磁場的總能量(包括偶極場和非偶極場)穩步下降了1.41±0.16%。以這樣的速度,地球磁場每隔1500年(±100年)就會損失至少一半的能量。這個事實支持創造論的模型:自從上帝6000年前創造了地球以來,地球磁場的能量在不斷衰減,即使在《創世記》所述的大洪水年代,地球磁場發生翻轉時也是如此。

另一方面,進化論者沒有合理可行的,可用數學分析的地磁翻轉理論。進化論者聲稱,無論造成地球磁場翻轉的原因是什麼,翻轉過程是無能量損耗的——也就是說,他們希望中將來偶極場的總能量會與其上一個峰值相等 (大約是基督在世的時間,即約2000年前)。也就是說,進化論者對於地球磁場存在了幾十億年的的信念,要求他們相信它的每一個週期都會是一次鳳凰涅磐——從灰燼中重生,沒有任何能量的損失。

「換句話說,「達爾文教派」要求他們相信熱力學第二定律(即所有形式的能量都將退化成熱能),並不適用於地球的磁場。這聽起來是否很耳熟呢?」

後來,漢弗萊斯博士發表了他的論文《地球磁場仍在不斷失去能量》(CRSQ 39(1)1–11,2002年3月),其中更加詳細地解釋了以上論點,(見全文,其概要發表在Creation Matters,題為《地球磁場:填補年輕地球論的一個漏洞》,2002年3月/4月)。其摘要是這樣寫的:

本文填補了一個地球年輕論的漏洞,該漏洞是基於地球磁場中各個部分能量的損失。進化論者使用1967年模稜兩可的數據,聲稱地球磁場的次要部分(非偶極子)獲得的能量足以彌補其主要部分(偶極子)的能量損失。然而,他們中似乎並無一人曾使用更新更準確的數據來驗證這個論點。我用國際地磁參考場數據(IGRF)證明從1970年到2000年,偶極部分的磁場穩定地失去了2350±50億兆焦的能量,而非偶極部分只獲得了1290±80億兆焦的能量。在那30年期間,所有可觀測到的磁場能量總和淨虧損1.41±0.16%。以這樣的速度,地球磁場每1465±166年將失去一半的能量。結合我在1990年提出的解釋《創世記》大洪水年代地球兩極磁場翻轉及其後發生的磁場強度波動的理論,這些新數據支持創造論者的模型:自從上帝6000年前創造了地球以來,地球磁場一直在迅速而且持續地散失能量。

參考文獻

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  2. R.T. Merrill and M.W. McElhinney, The Earth’s Magnetic Field, Academic Press, London, pp. 101–106, 1983. 返回文章.
  3. T.G. Barnes, Foundations of Electricity and Magnetism, 3rd ed., El Paso, Texas, 1977. 返回文章.
  4. 對海底電流的測量挑戰著最流行的一類發電機模型。L.J. Lanzerotti et al., Measurements of the large-scale direct-current earth potential and possible implications for the geomagnetic dynamo, Science 229:47–49, 5 July 1986. 測量到的地球磁場衰減速度也足以產生維持今天的磁場強度所需要的電流,也就是說,即使曾經有地磁發電機的運行,但今天已經沒有了。 返回文章.
  5. D.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. 運動中的導電液體帶有磁通線,這將產生新電流,和新的方向相反的磁通量,另請參見The interview of Humphreys in Creation 15(3):20–23, 1993. 返回文章.
  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. 巴恩斯博士曾經由於沒有找到合適的物理機制而反對地球磁場翻轉,他如此回應(141頁):「漢弗萊斯提出一個新的合理的物理機制來解釋地球磁場的翻轉。」 返回文章.
  7. D.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. 返回文章.
  8. 在《創世紀》大洪水的時期以及洪水之後,地球磁場強度(B)上下波動,但地球磁場的總能量是在不斷下降的。能量是B2的體積積分。 返回文章.
  9. R.S. Coe and M. Prévot, Evidence suggesting extremely rapid field variation during a geomagnetic reversal, Earth and Planetary Science 92(3/4):292–298, April 1989. 另參見 Dr Andrew Snelling, Fossil magnetism reveals rapid reversals of the earth’s magnetic field, Creation 13(3):46–50, 1991。 The Earth’s magnetic field and the age of the Earth, Creation 13(4):44–48, 1991. 返回文章.
  10. R.S. Coe, M. Prévot and P. Camps, New evidence for extraordinarily rapid change of the geomagnetic field during a reversal, Nature 374(6564):687–692, 1995; see also A. Snelling, The principle of ‘least astonishment’, Journal of Creation 9(2):138–139, 1995. 返回文章.
  11. 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. 返回文章.
  12. D. Russell Humphreys, The creation of planetary magnetic fields, Creation Research Society Quarterly 21(3):140–149, 1984. 返回文章.
  13. L.L. Hood, The enigma of lunar magnetism, Eos 62(16):161–163. 返回文章.
  14. 挑戰者號對天王星和海王星所做的測量分別是3.0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. 返回文章.
  15. 漢弗萊斯博士預測的磁場強度的數量級是1024 J/T—Creation Research Society Quarterly 27(1):15–17, 1990. 天王星和海王星的磁軸離球心很遠 (是星球半徑的0.3 和 0.4),並且與星球自轉軸的角度很大(60°和50°)。這是發電機理論學者面對的一大謎團,但是可以通過給整個太陽系造成影響的一次災難進行解釋。(見《太陽系的啓示》). 返回文章.
  16. Magnetic moon findings support creationist’s theory Creation 19(4):8, 1997. 返回文章.
  17. 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. 返回文章.
  18. Barraclough, D.R., Geophy. J. Roy. Astr. Soc., 43:645–659, 1975. 返回文章.