1824年，一個男孩出生於愛爾蘭的貝爾法斯特市，他的名字叫威廉·湯姆森（William Thomson）。湯姆森長大後成為一名非常了不起的科學家，然而你可能從來沒有聽說過他——至少沒有聽說過威廉·湯姆森這個名字。湯姆森的幾乎整個職業生涯都在蘇格蘭的格拉斯哥大學工作，主要研究領域是物理學。他的主要貢獻在於熱力學第一和第二定律的數學表述。特別值得一提的是，他在1848年研究得出溫度一定存在一個絕對低值的結論，並且算出這個數值是-273。15℃。1890～1895年，他擔任英國皇家學會主席，期間還成為首位晉升為英國上議院貴族的科學家。在英國，當某人被封為貴族時會被賦予一個與出生名不同的名字，這個名字通常指向他們出生或居住地附近的一個地點。威廉·湯姆森被賦予的名字是開爾文勳爵（Lord Kelvin），來自格拉斯哥附近流經他的實驗室的開爾文河。為了紀念他對熱力學的貢獻，我們用開爾文溫標來衡量絕對溫度。絕對零度，也就是他計算出來的數值，被稱為“零開爾文”。需要注意的是，該溫標最初的單位是“開爾文度”（°K），就像攝氏度或華氏度一樣，但在1967年，溫度增量的單位被國際計量大會重新定義為“開爾文”（K），去掉了“度” 。
儘管開爾文聰慧過人，卻因為犯了一個巨大的錯誤而聞名於世。在19世紀，有一場關於地球年齡的激烈爭論。一方是所謂的“聖經地質學家”，他們根據《聖經》中的經文對地球年齡進行了字面解釋，估計地球只有大約6000年的歷史。其中最著名的可能當屬詹姆斯·厄謝爾（James Ussher）主教的估算結果，他編寫了《聖經》中事件的倒敘年表，自信地指出，地球是在公元前4004年10月23日的前夜被創造出來的。另一方則是無神論者的地質學界，他們認為地球是一直存在著的，至少有幾十億年了。這種觀點最初是基於對侵蝕速度的估算，因為山谷的形成需要漫長的時間。
但開爾文認為，這些估算都不對。他的推理是以熱力學定律為基礎，而且相當巧妙。開爾文指出，當人們往地下挖時，土層會變得更熱。因此他推斷，地球最初是一個冷卻中的熔融狀態的球。這個想法也來自於對火山的觀察，火山從地下噴出熔岩。根據熱力學定律，所有熱的物體都會向絕對零度冷卻。
所以他認為，地球不可能是一直存在的，甚至不可能存在了幾十億年，否則地球應該已經處於絕對零度了。然而他也否定了6000年這一數值，否則的話，地球應該還是一個岩石構成的熔融球。因此，透過觀察地球的大小，估計它開始時的熱度，以及如此質量的冷卻速度，他得出了一個大約1億年的數值。他將地球年齡的上限設定為4億年，下限為2000萬年。可以說這是兩頭不討好——與基於《聖經》的估計值差了數千萬年，同時也不符合達爾文的進化論觀點，因為進化需要更長的時間才能發生。實際上，達爾文稱開爾文為他的“最大的麻煩”。而開爾文直到去世都在捍衛這個數值。
可是，開爾文的推算是錯的，因為他犯了一個關鍵性錯誤。他的計算假設地球形成後就像一杯咖啡一樣冷卻下來。但實際上，地球並不像一杯咖啡，因為它有一個內部的熱源，熱量來自於放射性衰變。放射性是由亨利·貝克勒爾（Henri Becquerel）在1896年發現的，它使開爾文的估算變得無效：2000萬～4億年太年輕了。我們現在知道，地球是在約46億年前形成的。
放射性的發現也改變了人們對地球結構的理解，因為地球並不是像開爾文所提出的那樣簡單地在冷卻。想起來很神奇，此刻當你正在讀到這篇文章時，你腳下2900千米深處，有一個巨大的由鐵和鎳組成的熔融球。它的溫度會變化，最熱時能達到約6000K，和太陽表面的溫度差不多。這個球的半徑約3500千米，稱為地核。地核形成於約40億年前，也就是地球最初形成後的5億年左右。起初，地球是一塊均勻的熱岩石，但由於放射性物質的影響，它開始發熱升溫。在形成後大約5億年，達到了一個臨界溫度，約為1800K，即鐵的熔點。那是地球演變的一個關鍵時刻，即所謂的“鐵災難”。
鐵在地球內的熔化產生出一個液態核心，使得地球內容物的分化更加迅速。金屬等較重的物質可以更容易地移動到中心區域，而較輕的物質則移動到外圍區域。現在，溶解在鐵核中的是大量的黃金和鉑等貴金屬。因為地核的外層是熔化的（實際上高壓將最中心的部分凝固了），所以它會四處移動，而熔化的鐵的這種移動產生了一個巨大的磁場。這種效應被稱為“地球發電機”。因此，我們是生活在一塊巨大的磁鐵上。
在一塊磁鐵上生活有利有弊。磁場最積極的一面可能是，沒有磁場地球上的生命就不可能進化。地球的磁場形成一個屏障，能使太陽風發生偏轉。如果沒有這個屏障，太陽風會把高層大氣中的臭氧層剝離，使地球變得不利於生物生存，最主要是因為大幅升高的輻射水平。所以，我們就好比生活在一個小繭裡，受到地球內部巨大磁鐵所產生的磁場的保護。地核是液態的，它會四處移動，從而引起地表可以探測到的變化。這塊磁鐵的北極被稱為“磁北極”，與地理北極（由地球自轉軸定義）並不一致。1900年，磁北極位於加拿大北部，靠近哈德遜灣的北部入口。然而在20世紀，它持續以每年約55～60千米的速度穩步向俄羅斯移動。2019年，它位於靠近地理北極的北緯86°處。
磁極的移動並不是什麼大事。當然如果你想用磁羅盤導航，這會有影響，但由於我們現在完全用衛星導航，磁極的移動就成了令人好奇的一件趣事。不過，我們在磁鐵上生活的同時，還發生著一件更具破壞性的事情，即在不同地質時期，這塊磁鐵很不穩定，每隔數十萬年，磁極就會經歷一個反轉期。屆時，磁場會大幅度減弱，地球會被輻射所淹沒！從理論上說，這會給生活在地球表面的生命帶來毀滅性後果。
或許最令人擔憂的是，在過去的170年裡，地球上的磁場強度一直在穩步減弱。將這一點與磁極位置不穩定相結合，有人推測：磁極反轉事件可能即將到來。這可不是個好訊息。2017年有一篇論文預測，人類如果失去磁場的保護，在太陽風暴下的暴露增加，將使地球上的計算技術變成廢物，每天的經濟損失會高達數十億美元。想象一下，回到一個沒有手機、衛星和計算機的世界，也沒有任何依賴計算機的東西，比如銀行系統、航空運輸等等！
問題是如何研究這類事件，以及這些預測究竟是現實的還是隻是恐怖故事。磁場的最近一次反轉發生在大約41000年前。它被稱為“拉尚偏移”（Laschamps excursion），持續了大約1000年，期間磁場強度減弱了28%。有趣的是，在反轉發生之前，磁場強度只下降了6%，比最近磁場強度的變化還要小。那麼這個事件有什麼影響呢？2021年2月中旬，澳大利亞的艾倫·庫珀（Alan Cooper）、克里斯·特尼（Chris Turney）及其同事們在《科學》（
Science
）雜誌上發表的論文著手回答這一重要問題。儘管在全球氣候和生物學事件的發生時間上已經有大量的研究，但仍有一個重要問題懸而未決，即拉尚偏移發生的確切時間。因此，將人類歷史上的已知事件與磁極反轉事件進行關聯是很困難的。磁極反轉事件是透過觀察地球表面反映太陽輻射活動程度的放射性同位素水平的變化來探測的，這使問題變得更加複雜。因為上述變化不僅取決於磁場強度，還取決於太陽本身的活動。
平常狀態（左）和磁極反轉期間（右）的地球磁場。藍色磁場線指向地球中心， 黃色磁場線指向地球外部。白色虛線圓圈表示地核。
這項研究的重大進展就是更好地估計了拉尚反轉事件的發生時間，方法是研究紐西蘭北部溼地中儲存下來的古貝殼杉樹。特別是，其中包括了一棵樹1700年的記錄，剛好跨越了人們認為拉尚事件發生的時期。從這棵樹的年輪中提取的碳14的變化記錄與其他各種指標結合起來，準確地重建了事件發生的時間，即距現在41000～41500年間（這裡的“現在”是指1950年）。界定了事件的時間，就可以確定哪些事件可能是與反轉事件同時發生的。對氣候和生物學事件進行廣泛的系統回顧後發現，磁場的反轉事件似乎確實與許多重大的負面影響時間一致。正如預料的那樣，該事件與宇宙輻射的大幅增加以及由此帶來的大氣電離變化同時發生。此外，同時期的事件還包括北美洲冰原的迅速擴張、紐西蘭冰川的延伸以及南澳大利亞森林大火的暴發。
該反轉事件在生物學上的影響更加深遠。事件發生時間與澳大利亞南部大型哺乳動物的一次大滅絕事件重合。儘管澳大利亞動物區系的這一變化往往被歸結為人類的到來，但事實上人類到澳大利亞已經有1萬年，因此，突然發生的大滅絕事件可能與人類無關，而更多地是與磁場反轉時氣候相關的影響有關，包括荒漠化的加劇。此外，磁場反轉事件的發生與西歐尼安德特人的可能滅絕以及亞洲和歐洲洞穴藝術的同時出現相吻合。論文認為，這是人類更多地利用洞穴來逃避不利氣候條件的證據。
最後，透過準確定位最近一次磁場反轉事件的時間，這篇論文證實了人們最擔心的事情，即磁極反轉是極大地改變地球上生命格局的重大事件。現代社會如此嚴重地依賴電子產品，而這些產品會長期受到太陽磁暴的干擾，這可能意味著當磁極反轉到來時，人們的生活將受到極大的負面衝擊。生活在一塊不穩定的磁鐵上，確實是巨大的好處和危險並存。
翻譯/張麗娜
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新媒體編輯/小帆帆