地球是什么？诗人说它是一颗天体蓝宝石，一个蔚蓝色的球体。天文学家说它是一颗围绕普通恒星运行的中等大小行星。一些环保主义者说它是母亲。生物学家说它是已知唯一的生命之家。但最科学精确的定义可能正是无人预料到的那个。地球，地球物理学家 J. Marvin Herndon 说，是一个巨大的天然核电站。我们生活在其厚厚的屏障上，而在我们脚下 4000 英里深处，一个五英里宽的铀球燃烧、搅动、反应，产生地球的磁场以及驱动火山和大陆板块运动的热量。Herndon 的理论大胆地驳斥了自 20 世纪 40 年代以来一直主导地球物理学的观点：地球的内核是一个巨大的部分结晶的铁镍球，缓慢冷却并随着热量散发到流体地核中而增长。在这种模型中，放射性只是一个辅助热源，广泛分散的同位素自行衰变，而不是集中。
如果 Herndon 的理论是真实的，那将是几十年来地球物理学界最大的新闻。“我将其与板块构造学并列，视为真正伟大的发现之一，”华盛顿卡内基研究所地球物理实验室名誉主任 Hatten Yoder 说。这个想法对人类和地球上所有其他生物也具有直接影响。虽然它没有回答核裂变是否是发电的明智方式，但它至少意味着裂变是一种自然，甚至是必不可少的过程。“我们甚至我们的生命都归功于它，”Herndon 说。他表示，地下核反应是驱动地球磁场的发电机，它保护我们免受太阳的侵害。
“如果没有磁场提供的排斥力，太阳辐射早就剥去了我们的大气层，”核工程师 Daniel Hollenbach 说，他是 Herndon 在橡树岭国家实验室的合作者。“我们绝对依赖它。”
Herndon 最近在《美国国家科学院院刊》上发表了一篇论文，提出了他认为最有说服力的理论论据。通过 Hollenbach 帮助他在橡树岭运行的计算机模拟，Herndon 展示了追踪核电站燃料使用的软件如何表明“行星级地核反应堆”确实可能已经燃烧了 45 亿年——地球年龄被广泛接受的估计——其热量水平与地球实际的约 4 兆瓦输出相匹配。此外，这样的反应堆的强度会有所不同——有时强，有时弱，有时完全停止——这可以解释为什么地球磁场在数千年来周期性地增强、减弱和逆转。
赫恩登认为，地球不仅可能在其核心有一个反应堆，木星、土星和海王星也可能如此。天然核反应堆可以解释许多谜团，从恒星如何点燃到暗物质的性质，暗物质是一种神秘、难以捉摸的物质，天文学家说它的丰度是他们能观测到的普通物质的10倍。事实上，赫恩登的理论如果正确，将要求我们彻底改变对宇宙大部分物质如何运作的看法。
“这是一个具有强大解释力的想法，”他说。也许吧。
在地球物理学界，赫恩登孤身一人，好比一块独立的构造板块。根据主流地核理论，磁场是由熔融铁镍在固体铁镍球周围旋转形成的类似发电机般的涡流驱动的，而不是像赫恩登所说的那样，由围绕炽热核反应堆的带电粒子流驱动。虽然赫恩登已经推动这一前提长达11年，并在包括《伦敦皇家学会会刊》在内的著名期刊上发表了论文，但他的工作很少被其他地球物理学家引用。他的理论与其说是被驳斥，不如说是被忽视。
“数据根本不需要它，”不列颠哥伦比亚大学的布鲁斯·巴菲特争辩道，他说他读过赫恩登的一篇早期论文。他说，你可以用传统模型进行对流的数值模拟，并获得地质记录中出现的磁场行为。“他所做的听起来像是一种推理，而不是证明。”
不过，Herndon 并非没有杰出的支持者。“我们今天遵循的许多范式都没有他为这个理论所汇集的那么多证据，”卡内基研究所的 Yoder 说。“他有一个新鲜的想法，而且他把它整合得非常好。我们需要考虑他说的话。”
因此，赫恩登的故事，就像那些在他之前走过类似道路的叛逆者一样，可能不仅仅是一场关于地核中发生什么的争论，更是一个关于革命性理论如何被排除在科学辩论之外的故事。赫恩登天性温和，但当他想到自己所经历的战斗时，他会变得激动起来。“如果对此能有激烈的争论，我将非常高兴，”他说。“科学家依赖资金，他们害怕任何有争议的事情。”
“他很难引起关注，”加州大学圣地亚哥分校地球物理与行星物理研究所名誉教授 J. Freeman Gilbert 补充道。“这不是一个审查社会。”
核心争议
J. Marvin Herndon 现年 58 岁，身材高大，声音温和，说话一丝不苟：“逻辑”和“循序渐进”是他最喜欢的两个词。他住在圣地亚哥高档郊区斯克里普斯牧场，在一个摆满了古董的家里工作：日本衣柜、盐釉格鲁吉亚陶器和彩虹色大萧条时期玻璃制品，都摆放得整整齐齐，一尘不染。他娶了一位计算机科学家，他们有三个成年的儿子。独立的科学研究似乎是家族的特征。小儿子克里斯托弗在 12 岁时就发表了他的第一篇论文，关于罗马皇帝非自然死亡的原因。
赫恩登于 1974 年在德克萨斯 A&M 大学获得核化学博士学位。1975 年至 1978 年，他在加州大学圣地亚哥分校，师从 1934 年诺贝尔化学奖得主哈罗德·尤里（Harold Urey）和碳 14 定年法开发者汉斯·苏斯（Hans Suess），担任博士后研究员。“这些人是各自领域的巨擘。他们真正教会了我如何做科学，”赫恩登说。但接受 UCSD 的研究职位仅仅一年后，赫恩登就辞职了。“我开始发现关于地核成分的一些有趣的事情。但对我来说，很明显，如果我留在学术界，我将不得不循规蹈矩，研究别人的模型。”虽然赫恩登当时还没有形成他的理论，但他确实相信——现在仍然相信——地核的大部分不是铁镍，而是一种称为镍硅化物的镍硅化合物。
英格·莱曼，这位在1936年发现地球有固体内核的著名丹麦地球物理学家，认为赫恩登发表的关于这个概念的论文很有说服力。“我钦佩你基于现有信息的推理的精确性，我祝贺你取得了极其重要的成果，”她在1979年写信给他。但这个理论却被其他学者排斥。“就像一道铁幕降下来了。我选择离开，但我决心继续研究这个想法，自掏腰包，”赫恩登说。接下来的24年，他担任采矿顾问。但就像一个缓慢积聚的核反应一样，关于地球中心发生着截然不同事情的证据堆积在他的办公桌上，逐渐达到了临界质量。
第一份证据来自非洲加蓬的一个矿井，1972年，法国科学家在一处铀矿脉中发现了裂变产生的钕和钐同位素。他们意识到，这处铀矿在耗尽之前，作为天然核反应堆运行了2亿年，距今已有20亿年。随后的调查在该地区发现了几个类似的天然裂变点。“我第一次听说这件事是在我读研究生的时候，我知道这很重要，”赫恩登说。“奇怪的是，这个话题似乎从未在《科学》或《地球物理研究杂志》的页面上被提及，”他在1998年发表在《EOS》（美国地球物理联盟的期刊）上的一篇论文中写道。
Herndon反应堆的另一根燃料棒是20世纪60年代发现的，木星的反照率（或亮度）表明这颗巨行星向太空辐射的能量大约是其从太阳接收能量的两倍。后来，土星和海王星也被发现发出类似的大量能量。这种现象是“现代行星科学最有趣的发现之一”，亚利桑那大学月球和行星实验室行星科学教授 William Hubbard 写道。Hubbard 排除了放射性和聚变反应，认为它们太弱，无法造成这种效应。
1990年，赫恩登的二儿子约书亚告诉他关于木星过剩能量产生的事实，他在 J. Kelly Beatty 和 Andrew Chaikin 编辑的《新太阳系》一书中发现了这个事实。“三周后，在杂货店，这个答案突然击中了我，”赫恩登说。“木星拥有行星级核反应堆的所有成分。我立即开始查阅文献，认为肯定有人已经得出了同样的结论。”他停顿了一下，摇了摇头，看着一只安娜蜂鸟在仙人掌花园的喷泉中啜饮。“不，”他说。“什么都没有。”
赫恩登进行了计算，将这个想法写成一篇名为《核裂变反应堆作为巨型外行星的能源》的论文，并于1992年发表在德国科学期刊《自然科学》上。此后，该论文一直默默无闻。“我希望有人能回应，告诉我科学是错误的，但我什么也没得到，”他说。
赫恩登并未气馁，随后将注意力转向地球。他推断，如果巨行星的核心可以拥有核电站，那么这颗小行星可能也行。“它会解答很多问题，”他说。
地球磁场最神秘的方面之一是，它平均每20万年反转一次。它还会周期性地减弱，然后再次增强。这不仅仅是理论。磁场蜿蜒的历史被不可磨灭地铭刻在岩石中：某个地层中的铁质矿物，特别是磁铁矿，显示出与另一个地层截然不同的取向。
在赫恩登看来，如果磁场是由传统观点所主张的，即由熔融铁镍从流体地核结晶产生的热量或由孤立放射性同位素衰变产生的热量驱动的，那么这些极性翻转就毫无意义。“这些都是渐进的、单向的过程，”他说。但如果磁场的能量来自大量铀和钚像天然核反应堆一样运作，赫恩登说，那么磁场强度的这种变化几乎是必然的。
与其想象一个直径约为月球七分之一的铁镍球，不如想象一个地球中心的天然核反应堆，由一个五英里宽的铀 235 和铀 238 球体组成。这将是核工程师所说的快中子增殖反应堆，它既能利用铀产生能量，也能利用反应堆自身产生的可裂变钚。而且，与其想象一个由液态铁和镍组成的包围球体，不如想象一个由固态镍和硅熔合而成的镍硅化物球体。赫恩登认为，当反应堆在这个镍硅化物球体内裂变时，它会产生热量，从而驱动带电粒子，最终产生磁场。
这个领域会如何变化？核裂变会产生吸收中子的副产品，减缓反应。最终，这些反应堆“毒物”甚至可能使过程停止。但是这些副产品，由于比铀-钚混合物轻，也会倾向于缓慢浮出，在裂变球周围形成一个外壳。一段时间后，足够多的副产品会离开球体，以至于铀可以再次开始反应。“这次，地核反应堆可能会增强功率，导致磁场增长，方向相同或反转，”赫恩登说。“这是一个非常非线性的过程。”
受访的地球物理学家承认，主流假设之外的可能性是存在的：他们承认，冷却的铁镍球内核仍然只是一个理论，尽管是一个占主导地位的理论。但他们对赫恩登的提议有一个主要异议。他们问道，在地球形成过程中，所有的铀是如何聚集在中心的？他们说，硅酸盐倾向于与铀结合，形成一种较轻的化合物，会抵抗下沉到年轻地球的中心。“放射性同位素倾向于与硅酸盐结合，”并分散在地球地壳中，不列颠哥伦比亚大学地球物理学家布鲁斯·巴菲特（Bruce Buffett）争辩道。“这种集中度，在我看来，听起来并不可信。”赫恩登说，答案在于球粒陨石内部，这些落到地球上的石陨石被认为是太阳系诞生时条件的记录。“今天的大部分地球物理学都基于地球像普通球粒陨石一样，是在相对富氧的条件下形成的，”他说。但有一小部分陨石叫做顽火辉石球粒陨石，它们是在氧含量少得多的条件下形成的。“这些就像内行星，”赫恩登说。“顽火辉石球粒陨石中的氧同位素与我们在地球内部发现的完全相同。”
赫恩登说，顽火辉石球粒陨石与地球的成分最接近，并显示了铀是如何浓缩的。“当有足够的氧气时，所有喜欢与氧气结合的元素都会与硅酸盐结合。但当氧气有限时，铀和镁等元素将部分进入地核，”他说。他估计，地球64%的铀以这种方式下沉到地心——足以引发反应。
Herndon 最重要的物理证据来自夏威夷玄武岩的成分。地震学家认为这些玄武岩是从地球深处的热源喷发出来的，可能靠近外核的边界。在 Herndon 的天然反应堆理论中，产生这些玄武岩的熔岩不会具有放射性，因为重铀无法从地球内核流出。但像氦这样的相对较轻的元素可以很容易地完成 4000 英里的垂直旅程到达地表，并携带着核裂变的迹象。
“32年来，人们在这些玄武岩中观测到了质量为3的氦，以及氦4，”赫恩登说。“氦4并不令人惊讶；它来自铀和钍的自然衰变。不需要涉及裂变。但氦3是一个巨大的惊喜。它是裂变副产物。没有人知道它如何在地球深处形成。人们认为它一定是行星形成时遗留下来的。”他停顿了一下。“不可能。在我们橡树岭进行的模拟中，我们得出了氦3与氦4的比率。这些数字可以是任何值，任何比率。但它们最终落在了这些玄武岩中观测到的值的范围内。”他抬起头。“这个比率是令人信服的证据。它让我大吃一惊。”
这些比率尤其让哈顿·约德尔兴奋不已。“他得到的氦气结果非常出色——它与理论完美契合。我希望看到他能获得氖（裂变产物同位素）的数据。如果他在那里也能得到正确的比率，那将是又一个重要的证据。我只是不明白那时人们还能如何忽视它。”
赫恩登正在进行这项计算。
Herndon 说，如果地球物理学至少承认天然裂变的可能性，它不仅能阐明行星内部的条件。主流天体物理学认为，当引力坍缩集中并加热物质时，它会启动使恒星发光的聚变反应。但直接证据证明产生足够的热量一直很难找到。Herndon 认为，恒星点火的答案可能是“核裂变触发器”，他说。“这是一个已通过每次氢弹爆炸实验证明的概念。”如果裂变点燃恒星，那么缺乏足够裂变元素临界质量的恒星大小天体可能永远不会发光，这将有助于解释暗物质之谜。Herndon 指出，天文学家曾推测暗物质在金属含量极少的恒星周围特别丰富。他说，暗物质可能由缺乏能够裂变金属元素的恒星大小球体组成。在他看来，没有裂变，就意味着没有聚变；这些巨大的球体将永远保持黑暗。
赫恩登说，证明他关于地球成分理论的下一步需要一些基础材料科学，并且应该 melibatkan 其他配备金刚石压砧的研究人员——地质科学家用于观察矿物在内核条件下行为的高温高压坩埚。他们可以测试赫恩登认为构成地核大部分的镍硅化合物在中心可能存在的压力下是否稳定。
圣地亚哥一个温和的冬日已渐入黄昏。赫恩登住在一个绿树成荫的公园边缘；他的露台被野生胡椒树、松树和桉树的斑驳树荫遮蔽着。这是一个舒适甚至奢华的环境，但赫恩登似乎并未察觉。
“到目前为止，我所做的一切都是自掏腰包，”他望着绿色的山谷说，“我是一个人，我取得了进展，但还有更多的事情要做。这是一个可以研究的想法。它需要严格的审查，一场真正的辩论。”
赫恩登笑了。“挑战正统观念的人有时看起来有点古怪。我可能因为投入这么多精力而发疯了，但这个理论本身一点也不古怪。”
放射性月亮闪耀 月亮对地球观察者来说可能看起来又冷又暗，但美国宇航局科学家二月份宣布，月球内部似乎是炽热熔融的，赫恩登说这一发现支持了他的天然反应堆理论。加利福尼亚州帕萨迪纳美国宇航局喷气推进实验室的研究人员利用宇航员30年前安装在月球表面的激光反射器，确定月球每27天膨胀和收缩高达四英寸。这种由地球和太阳引力引起的潮汐变形表明月球内部至少部分熔融。这一发现并非完全出人意料。阿波罗任务期间测量的月震波，如果传播深度超过月球中心一半，就会损失能量——这是熔融内部的另一个迹象。“当一个小物体产生大量能量时，这非常暗示核心存在裂变，”赫恩登说，他对木星的小而火山活动异常活跃的卫星木卫一也很感兴趣。“我认为这两个卫星内部都有小型反应堆。” — B. L.
地球是否正在接近熔毁？ 如果地球核心有一个天然核反应堆在燃烧，它还能活跃多久？这个问题不仅仅是学术性的。赫恩登认为，这个反应堆为地球磁场提供动力，磁场保护地球居民免受致命太阳辐射的侵害。
答案有点令人担忧。根据赫恩登在橡树岭国家实验室进行的模拟，在地球存在的 45 亿年中，大约 75% 的铀已经燃尽。这意味着铀球的直径已从约 8 英里缩小到 5 英里。按照赫恩登认为最可能的功率水平——大约 4 兆瓦——他计算出反应可能在 20 亿年或更短的时间内结束。这与传统的地核铁核模型相比不利，传统模型估计我们还有 40 亿年的保护屏障。“核裂变反应堆给我们的时间框架比地球物理学家传统上认为的要短得多，”赫恩登说。 — B. L. 有关 J. Marvin Herndon 理论的更多信息，请发送电子邮件至 mherndon@san.rr.com。要了解在非洲发现的天然裂变反应，请访问 www.curtin.edu.au/curtin/centre/waisrc/OKLO/index.shtml。访问 J. Marvin Herndon 的网站：http://NuclearPlanet.com
