本周，戴上你的安全帽，穿上钢帽靴:我们将前往地球的中心!从地表的土壤到地核的磁性熔融铁，我们正在深入研究地球内部发生的事情。另外在新闻中-大羊驼如何帮助我们对抗Covid-19，四轮摩托车上的考古学，以及爱因斯坦在极端重力测试中再次被证明是正确的……
在这一集里
Covid - 19:抗体和美洲驼
德克萨斯大学奥斯汀分校的Daniel Wrapp说
在我们等待Covid - 19疫苗的同时，骆驼家族的成员可能会通过治疗来拯救我们。美国科学家从一只接种了冠状病毒疫苗的羊驼身上分离出一类抗体。这些抗体被称为纳米抗体——它们就像我们人类抗体的一个微缩版本，它们的工作方式相同，但它们甚至可能——由于它们的小尺寸——能够接近并中和大块抗体无法到达的病毒部分。丹尼尔·拉普(Daniel Wrapp)就职于德克萨斯大学奥斯汀分校。
丹尼尔:我们在2016年开始这项工作，当时没有活跃的冠状病毒爆发。我们试图了解冠状病毒进入宿主细胞并感染我们的机制。为了做到这一点，我们给一只名叫温特的羊驼接种了冠状病毒蛋白质的疫苗，这种病毒以前曾出现在人类中。
克里斯-现在，你希望通过这样做学到什么?你为什么挑了羊驼温特?
丹尼尔-刚开始的时候，还没有任何冠状病毒的疫苗或治疗方法被批准。事实上，现在仍然是这样。所以我们希望我们能够从这只羊驼身上引出抗体，这些抗体与冠状病毒的部分结合，这些部分对冠状病毒的功能至关重要，并阻止它进入宿主细胞。我们选择美洲驼的原因是因为美洲驼可以产生一种人类无法产生的特殊抗体。这些抗体的大小大约是你我产生的抗体的一半。由于尺寸更小，它们能够结合小的裂缝和口袋，否则大的抗体无法进入。
克里斯-那为什么大羊驼会这么做?
丹尼尔:好问题。我们认为这只是一种进化上的怪癖，因为这对大羊驼抵御感染是有益的，所以它一直存在。鲨鱼也会做类似的事情，但我们认为它们可能是自发产生的两个不同的进化事件。
克里斯:那长得有点像大羊驼的动物呢?因为羊驼看起来像迷你美洲驼。他们也这样做吗?
丹尼尔-是的。这是一种叫做骆驼科的动物，包括大羊驼、骆驼、羊驼和其他一些生物。
Chris:那么你的想法是我们让它们产生这些迷你抗体，这些抗体可能被赋予了到达其他抗体无法到达的病毒部分的能力。有点像喜力啤酒的抗体，然后你可以用它们来治疗，或者用它们来更好地了解病毒?你的动机是什么?
丹尼尔-是的，我们试图用它们来更好地了解病毒，如果它们能够中和病毒，那么就会有潜在的治疗候选药物。我们发现了一种微型抗体，有时被称为纳米体，它能够非常有效地中和一种导致2012年中东呼吸综合征爆发的病毒。还有一种能够中和2002年引起严重急性呼吸综合征冠状病毒的病毒。
克里斯:那么，你是如何从一种纳米体，也就是美洲驼体内的微型抗体，转变为一种能帮助今天感染了COVID-19型冠状病毒的病人的东西呢?
丹尼尔:幸运的是，我们从羊驼身上分离出的抗体实际上非常有效，我们根本不需要对它们做太多改变。从理论上讲，我们可以把这些抗体直接给病人，在这种治疗的帮助下，他们就能更容易地抵抗COVID-19。
克里斯:那你从哪里得到抗体呢?你要把羊驼温特变成献血者吗?
丹尼尔-用我们接种过的羊驼，我们找到了编码我们感兴趣的抗体的基因。现在我们有了遗传信息，我们可以把它放入实验室培养皿中的细胞中，我们可以扩大规模进行批量生产。
克里斯-你真的用这种方法对抗新型冠状病毒了吗?因为你已经测试了它对抗最初的SARS，你已经测试了它对抗这种中东呼吸综合征病毒，你是否真的用新的冠状病毒挑战了一个人或一只动物，然后证明这些迷你抗体有效?
丹尼尔:我们还没有在动物身上做过实验，但我们已经在实验室的培养皿里用细胞做过了。我们确实看到了针对COVID-19冠状病毒的保护措施。所以我们乐观地认为，当我们在仓鼠身上进行实验时，这将是我们的第一个试验生物，我们会看到同样的效果。
克里斯-你知道它是怎么工作的吗?
丹尼尔:是的。它的工作方式是与冠状病毒附着在宿主细胞上的部分结合。所以基本上抗体阻止了这种附着的发生因此病毒不能感染。
Chris -现在，考虑到羊驼可以产生抗体，这不是更容易吗，因为我们要把这些抗体放入人体内治疗他们，对人做你对羊驼做的让人产生正常的人类抗体不是更容易吗?
丹尼尔:是的，接种疫苗是理想的，但在我们获得批准的疫苗之前，这是一种权宜之计，这对已经接触过病毒的人很有用，因为你必须在接触冠状病毒之前大约两个月接种疫苗。所以疫苗对已经感染的人是没有用的，对老年人也有一些预防作用，因为老年人在接种疫苗后并不总是能产生有效的免疫反应。
克里斯-你觉得你可以做足够多的。
丹尼尔:是的，我们已经扩大了产量，产量也很高。所以我们乐观地认为能够生产足够数量的产品。
早期人类发展模型
阿方索·马丁内斯·阿里亚斯，剑桥大学
为了让我们今天能和你们交谈，也为了让你们能倾听，在我们的母亲怀孕期间发生了一系列令人难以置信的复杂事件。关于人类的发展还有很多需要了解的地方，本周的新闻是一个模型，可以让科学家更好地了解我们是如何形成的。剑桥大学的阿方索·马丁内斯·阿里亚斯(Alfonso Martinez Arias)是一种新模型背后的科学家之一，他们说，这种新模型将使科学家首次在实验室中探索早期人类胚胎发育的过程。他们正在模拟一个叫做原肠胚形成的早期发育阶段，在这个阶段，身体的不同部位开始形成。由于胚胎生长超过14天的限制，这一点在人类中知之甚少。那么这个模型到底是什么，我们能从中学到什么?阿方索采访了凯蒂·海勒。
阿方索-我们在培养皿上所取得的是对原肠胚形成过程的模拟。对于很多听众来说，这个词有点拗口，但正如一位生物学家所说，你生命中最重要的时刻不是你出生的时候，不是你结婚的时候，也不是你去世的时候。这是你经历原肠胚形成的过程。因此，在解释我们取得了什么成果之前，重要的是要了解这个过程是什么。在这些神奇的过程中，卵子受精产生的细胞球，以一种非常折纸的方式将自己转变成一个有机体的轮廓，头部在一端，后面是心脏、肠道、肌肉和骨骼。这是一个发生在子宫深处的过程。在现实中，它从未在实验室中被观察到。我们已经成功地在实验室里复制了它。
凯蒂:既然这么难做到，你是怎么做到的?
阿方索:为这类实验开辟道路的一件事是胚胎干细胞。胚胎干细胞是从早期胚胎中提取的细胞，可以无限期地保存在实验室中，并且可以诱导分化成生物体的不同细胞类型。但他们从来没有被放在一起，也没有试图用它们来构建一个有机体的雏形。我们找到了一种方法来吸引它们，如果你愿意的话，让它们聚集在一起，让它们能够在盘子里经历这个过程，勾勒出这个有机体，这个小小的人类。我应该指出，在这些最早的阶段，人类胚胎大约有一到两毫米长，这就是我们用细胞获得的物体。
凯蒂-哇。为什么以前没有人这么做过呢?你能告诉我们一些关于这类工作的道德规范吗?
Alfonso:是的，重要的是要强调，我们对许多动物甚至老鼠的这个过程了解很多。但它从未在人类身上实现过。其原因与所谓的14天规则有关，这是在体外受精研究期间建立的，当人们意识到你可以在培养皿中培养早期胚胎时，但这就提出了一个问题，你可以让这些胚胎在培养皿中生长多久?于是成立了一个委员会，由玛丽·沃诺克领导，在这个委员会中，他们决定胚胎在培养皿中不能再生长的时间点是第14天。为什么?因为这是神奇的原肠胚形成过程发生的日子。无论如何，这个过程发生在子宫深处。因此从未被观察到过。现在，有人在实验室里培育胚胎，但他们在技术上有困难，无法让胚胎超过14天。我们已经设法找到了一种方法，它不能完全再现胚胎的早期事件，但它产生了原肠胚形成的过程。 And it yields the structure of these early embryos.
凯蒂-我明白了。那么，如果你继续这个模型，是否可以说这个模型不会产生胚胎?
阿方索:这确实非常非常重要。我们的系统中有两个特征存在于胚胎中，我们在处理细胞的方式上设法避免了这两个特征。一个是大脑的外观。这并不意味着这个系统没有神经系统。神经系统比大脑更重要。我们的系统中有神经元的种子。而且它也缺少一组能让胚胎附着在母体上的细胞。因此，目前我们拥有的系统永远不会发育成一个完整的胚胎。
凯蒂-我明白了。简单地说，你希望学到什么?还是你希望这个领域能学习这种模式?
阿方索:有三件事。首先，作为一名科学家，这是我们第一次真正看到人类胚胎的原肠胚形成过程，并将其与其他动物进行比较。这是我们在论文中做的事情之一。其次，最重要的是，有许多出生缺陷可能是在原肠胚形成过程中产生的，而这些缺陷从未被研究过。随着IPS细胞，即诱导多能干细胞的出现，你现在可以从患有这些疾病的病人身上制造出胚胎干细胞。我们可以试着模拟它们，复制它们然后问它们是如何产生的，它们是如何经历这个原肠胚形成的过程的?最后，我认为这将是一个非常好的药物筛选系统，人们可能想要测试怀孕的物质，以及它们如何影响人类发育的早期阶段。
爱因斯坦和极端重力
本·麦卡利斯特
2015年，当研究人员寻找他的广义相对论所预测的引力波时，理论物理学家阿尔伯特·爱因斯坦的工作可以说面临着最严峻的考验之一。爱因斯坦以优异成绩通过了考试。本周，他又有了一件值得骄傲的事，因为科学家们已经证明了另一个预测是正确的:即使在极端的重力下，比如在大质量恒星周围，广义相对论也能正确地解释引力的行为。下面是物理学家本·麦卡利斯特的报道。
16世纪晚期，意大利物理学家伽利略爬上比萨斜塔，扔下两块不同质量的石头。他测量了它们撞击地面所需的时间。令大多数人惊讶的是，尽管质量不同，岩石却同时撞击地面。这是我们现在所说的“等效原理”的最早的观察之一。该原理大致说明，物体在引力场中以同样的方式加速，而不管它们的质量或由什么组成。所以，无论我们谈论的是一块坠落的石头还是一颗坠落的流星，它们都应该遵守同样的规则。但当这个声明发表时，我们还不知道宇宙中任何更奇特的东西，比如黑洞或中子星。这些都是极端重力的例子，引力场如此强大和复杂，以至于它们最终会以伽利略扔下石头时根本无法想象的方式相互作用。
几个世纪以来，我们最终发展了一种引力理论，使我们能够理解那些引力复杂的极端情况:爱因斯坦的广义相对论。这个新的引力理论提出了等效原理的可能扩展，我们称之为“强等效原理”，该原理指出，即使是像中子星这样的引力庞然大物也应该遵循规则，表现得像伽利略的岩石一样。然而，这个更强的原理最初只是一个理论，还有待检验。幸运的是，宇宙给了我们很好的实验室来做这些测试。最近，一群来自世界各地的天文学家使用射电望远镜进行了类似于伽利略比萨实验的宇宙实验。
他们测量了一颗被称为脉冲星的快速旋转中子星的运动。它被一颗白矮星环绕，就像月球绕地球运行一样。脉冲星和它的白矮星伴星依次都绕着另一颗恒星运行，就像地球和月球都绕着太阳运行一样。通过监测从旋转的脉冲星到达地球的光信号，并观察当脉冲星远离和靠近地球时，这些光信号到达地球的时间是如何不同的，科学家们能够对恒星的运动进行极其精确的测量。他们发现，等效原理似乎是成立的，即使是对引力复杂的天体，比如中子星。脉冲星和白矮星尽管质量和成分不同，但似乎都在以相同的速度向它们所绕的恒星加速。就像伽利略所说的不同的岩石落向地球一样。
所以现在看来，我们的老朋友爱因斯坦又一次是对的。幸运的是，这次我们不需要从高楼上扔石头就能到达底部。
考古-不需要挖掘
Martin Millett，剑桥大学
考古学家的典型形象是拿着铲子往洞里挖，挖掘过去。现在看来，这有点过时了，因为你所需要的只是一辆四轴自行车，后面装上一个漂亮的电子装置。这种设备被称为探地雷达，利用它，科学家们已经绘制出了意大利一个罗马城镇的废墟，而不需要拿起泥铲!这个小镇是Falerii Novi。它位于罗马以北50公里处，建于2000多年前。现在遗址上只有老城墙和几只羊，而且是受保护的纪念碑，所以你不能在那里挖东西。亚当·墨菲采访了考古学家马丁·米利特，他解释了四轮摩托上的雷达是如何清晰地显示出整个地下城镇的图像的。
马丁:我们早就知道这个地方了。过去有人对它进行过改造;实际上是从18世纪开始的我们选择它作为我们的工作有两个原因。第一，这是一块绿地;换句话说，罗马城镇已经消失，现在只有田地，所以很容易进入实验工作。无论如何，它是一座历史上重要的城市。从这项研究的角度来看，另一个重要的地方是，大约25年前，我们对整个地点进行了一次磁场调查。有了那个数据集，以及我们现在收集的数据集，我们就有了两个可以直接比较的地球物理数据集。这对于理解这些技术是如何工作的以及它们是如何互补的非常有帮助。
亚当:你能告诉我们你是怎么去寻找地下的东西的吗?
马丁:相对来说比较简单:我们用的是探地雷达。所以你有一个雷达天线，向地面发送无线电信号脉冲。当能量脉冲穿过地面密度的变化时——它碰到了墙壁或其他东西——你就会得到一个回波;回声时间与深度成正比。所以在最基本的层面上，你只需要拖动一个天线就可以了。我们现在所做的，也是最新颖的，是在一个非常大的区域内以非常高的强度进行实验。解决这个问题的办法是，不是只有一个雷达天线，而是有一整套的雷达天线;我们的比利时同事把16个天线放在一起，拖在一辆四轮摩托车后面。这意味着你知道阵列的设置，通过卫星测量，你可以在任何时候准确地知道每个传感器的位置;这意味着你可以通过轻轻拖动阵列来收集大量的雷达数据。
亚当:在这样的事情的另一端，你最终会得到多少数据?
马丁:嗯，这个网站大概有280亿个数据点。
亚当:那你怎么开始分析280亿个数据点呢?
马丁:再一次，在简单的层面上，每一个脉冲都会给你一系列的反射。这是一个处理数据的问题，把在同一纳秒内返回的东西提取出来，这样你就可以区分地表下不同深度发生的事情。然后有效地使用图像处理软件将其转化为一系列灰度图像这些灰度图像可以显示各个深度的情况;在三维可视化中，你可以用不同的方法来玩它。
亚当-你在地下发现了什么?
马丁-我们得到了整个城市的规划。这就是我们所追求的。当然，这是由不同的建筑，不同的街道和结构组成的。它的美妙之处在于，如果你看这些图像，它们非常清晰，因为我们每隔6又1 / 4厘米收集数据;所以你可以看到非常小的特征，20到30厘米宽，在两米深的土壤下。
亚当:你说你可以看到个别的建筑;你在那里见过什么样的建筑?
马丁:那里……一排大房子，还有更壮观的建筑。我们对剧院有很好的证据，这是以前所知道的，但我们现在可以很清楚地看到它的结构。我们有一座迄今为止完全不为人知的寺庙，一座大浴室和一座市场建筑;在北门附近有一个非常奇怪的大纪念碑，这是一个大的庭院结构，三面有柱廊，对着街道，但我们不知道它是什么!在我们目前得到的图像上，有相当多的侦探工作要做。
挖掘土壤微生物群
雅各布·马龙，约翰·英纳斯中心，诺维奇
在我们开始挖掘通往地球的隧道之前，让我们先考虑一下我们脚下的东西。地球表面的大部分都是土壤，土壤支撑着我们随处可见的植物和树木。但肉眼看不见的，埋藏在土壤内部的，是一个巨大的微生物群落，没有它们，大多数生物都无法生长。杰克·马龙来自诺维奇的约翰·英纳斯中心，他采访了凯蒂·海勒。
雅各布:我想土壤是两种主要东西的混合体。其中之一是矿物质:粘土、沙子或石头之类的东西。但另一个非常重要的部分是分解的有机物。所以腐烂的主要是植物。但是我们真正感兴趣的——或者至少是我的实验室真正感兴趣的——是生活在土壤中的所有不同的微生物。除了微小的昆虫和蠕虫之类的东西，你还会发现成千上万种不同的真菌和细菌。它们都在相互作用，相互争斗，相互交流。这就是土壤的独特之处。
凯蒂:土壤有微生物群，就像我们有微生物群一样?
雅各布-是啊，没错。土壤中生活着成千上万种不同种类的真菌、细菌和其他微生物。它们相互竞争，相互交流，与土壤中的其他东西如植物相互作用。所以你会发现土壤病原体，比如真菌和细菌，它们会试图杀死植物;但你也会发现细菌会抵抗它们，或者真菌会抵抗它们，并试图保护植物以便从土壤中受益。你会发现一些有趣的细菌类型，比如共生细菌，比如根瘤菌或丛枝菌根真菌，这是一种真菌，它为植物提供营养，交换来自植物根部的碳。
凯蒂-所以这是一种交换?这里有一种关系。
雅各布:当然，是的。你会发现，大多数植物会分泌大量的固定碳——也就是它们从空气中吸收的二氧化碳——它们会将其分泌到周围的土壤中。它们这样做的原因是为了吸引这些微生物，这对它们有益。在共生微生物的情况下，比如根瘤菌或这些菌根真菌，它们会提供植物不容易得到的东西，比如固定氮或固定磷，诸如此类的东西。作为回报，它们将直接从植物根部吸收糖。我应该说，植物通常不希望这样做。如果对他们有利，他们会做的。但如果你有一个农业系统，你人工向土壤提供大量的氮或磷，那么植物实际上会抑制与微生物的关系，它们会说，“好吧，我不想这样做，这对我来说很昂贵，我不需要这样做，因为我有这种肥料”。所以植物在这方面很聪明。
凯蒂:总的来说，我们的土壤状况如何?我们有足够的土壤来种植我们需要的食物吗?
雅各布:这是个好问题。我们英国没有足够的土壤。关于…我应该说，目前英国大约70%的土壤用于农业。
凯蒂-哇，70%，听起来很多啊。
雅各布-是很多，是的。除了一些高地和一些森林，以及大约10%的建在陆地上的土地，英格兰的大部分土地都被划为农田。这不能提供足够的食物来养活每个人;我还应该说，近年来，土壤质量一直在退化。原因是农业的集约化。这导致了土壤的压实，因为大型拖拉机和其他车辆在上面行驶;消除树篱和其他防止侵蚀的景观特征造成的土壤侵蚀;还有土壤污染，比如微塑料或化学物质。向土壤中添加磷和氮等物质也在一定程度上使土壤退化。
凯蒂-我们能做些什么呢?因为这听起来不太可持续。这么说公平吗?
雅各布-我觉得这样说很公平。虽然我们能做的很多。我认为我们能做的最好的事情之一就是更加可持续的土地管理。例如，如果你在田地的四周种植树木，就会减少土壤侵蚀，并增加田地里的作物产量。我们正在做的很多事情——我们在约翰英纳斯和其他地方努力学习的很多事情——是我们如何明智地管理和可持续地管理未来的农业实践。我是一个乐观主义者。我认为我们学到了很多东西。我认为人们现在更加意识到土壤的重要性，以及可持续地保持和管理土壤的重要性。
凯蒂:那么……像你这样的科学家是如何研究土壤中的微生物，以便我们——如果我们说的是农作物——尽可能多地生产可持续的食物，微生物从哪里来?
雅各布:我们在很多不同的环境下研究微生物。例如，我们可能会研究一个领域中存在什么微生物，或者我们可能会研究这些微生物做什么。我们可以看看……例如，一种特定类型的微生物的比例;它做了什么，它产生了什么分子，它对植物是好还是坏。我们还可以研究——我们正在研究——不同的植物是如何与这些微生物相互作用的。所以他们放了什么分子来吸引虫子，吸引了哪些虫子，这有多重要，以及它们如何与不同的土壤类型相互作用，从而促进植物的持续生长。
我们怎么知道地壳和地幔的存在?
Marijan Herak，萨格勒布大学
尽管地球有45亿年的历史，我们在地球上生活了几千年，但直到上个世纪左右，我们才对地球内部的东西有了一个模糊的概念。我们现在知道地球内部有几层，最外层是相对较薄的地壳，下面是地幔;这是一个延伸到地核外缘3000公里的岩石层。我们之所以知道这一点，是因为地震。它们在地球上发出振动波。其中一些波从一边到另一边摇晃，而另一些则压缩了它们前面的东西。而且，关键的是，当这些波遇到不同层之间的边界时，它们会以可预测的方式改变路径。第一个意识到这可以揭示地球内部是什么的人是克罗地亚数学家安德里亚·莫霍洛维
Marijan -我们在萨格勒布地球物理科学系大楼的mohorovi
克里斯:为什么这在当时如此具有开创性?
因为通过证明地球的性质不是连续变化的，他为常识增加了一条重要的信息。他通过在地球表面的观察，建立了观察地球深处的方法。这是地震学家的目标之一，他假设地震会在地质学家停止的地方继续。他意识到，通过现代仪器，科学家可以获得一种双筒望远镜，通过它他可以看到地球的最深处。
克里斯-他是怎么做到的?
Marijan -他有点幸运，在他在萨格勒布安装了现代地震仪后不久，离这里不远的库帕河谷发生了地震。他把地震记录得很漂亮，并收集了欧洲各地的地震图。
克里斯-其他人也在欧洲的不同地区做类似的测量，所以他能够把同一事件的相同记录放在一起。
是的，地震学还处于起步阶段。地震仪刚刚好到可以忠实地记录地震时地球的运动。当然，这比今天要复杂得多。没有电子邮件或扫描仪之类的东西。他必须获得副本，或者在某些情况下，原件是通过邮寄给他的。
Chris -因为你在我们面前的桌子上有一个例子。这些是长纸或卡片，上面有划痕的标记，是地震仪的触笔在响应振动时在表面划痕的。所以他会从欧洲各地收到类似的东西。
玛丽扬:是的。诸如此类的东西，或者是复印件。所以他分析了这些记录，意识到有些事情是出乎意料的。观测到的波不是两个，而是四个。
克里斯-请解释一下这些不同的波。所以当发生地震时，地震会发出哪两种波呢?
所以当地震发生时，两个波从震源辐射出来。其中一种是纵波这些波，就像声波一样，粒子沿着波传播的方向振荡。另一种是横波，它的粒子垂直于波的传播方向振荡。
克里斯:如果我有一个弹簧，我把一些线圈拉向我，然后放开它们，它们就会发出声响，波就会沿着弹簧，沿着弹簧伸展的方向传播。然而如果我把弹簧从一边扭到另一边，它就像横波。这两种波是你在地震中应该得到的。你是说他实际上看到的不只是那两个，而且当他录音的时候，很明显有四个波。
在某些车站，是的。这在一些电台很有趣，你会看到你所期望的，两个波，然后你会看到四个。然后，你又看到了两个。
克里斯:它们是相同的波，只是被延迟了还是怎么的?它们到达的时间不同吗?
他知道只有两种波可以存在。所以他必须得出结论，这个距离间隔，这些波不是四个不同的方向，而是两对波，其中一对直接从源头发出，另一对一开始向下，然后被折射到未知的深度。经过一段距离后折射回地球。
克里斯:所以一种波直接穿过地球，另一种波进入地球深处，到达我们现在知道的地球上部地壳和地幔之间的边界，地壳和地幔更深。这样就能把波浪折回水面，这就是他的突破。
简:是的，简而言之。
克里斯:他一定是用了大量的数学才算出来的。
玛丽扬:是的。这对他来说真的很难理解。但一旦他理解了，他所要做的就是找到一个模型来反演地球表面的观测结果。唯一要做的就是找到速度和不连续深度的模型，并与观测结果相匹配。他做到了，我们称这种问题为逆问题。就像你的医生，当你去做CT或x光检查时，通过观察身体表面的东西，你可以得出关于身体内部组成的结论。数学，当然，没有电脑，没有任何东西，我必须说，没有任何帮助，他独自完成了。我们有一堆他手写的文件。他研究了7个小数的对数，他把它弄得很困难，因为他想让它非常逼真。所以有些我们今天甚至不用的假设，他用过。 This was a breakthrough.
对着斗篷沉思
休·戴维斯，卡迪夫大学
自从莫霍洛维
嗯，地壳是一种硅酸盐岩石，基本上是岩石。是的，首先，它的二氧化硅含量比其他岩石要高一些。
凯蒂:如果有可能的话，我认为现在还不可能，从地壳往下钻到地幔。那会是什么样子?那里的环境怎么样?
所以矿物学会改变。所以组成会改变，很简单。所以地壳基本上是由地幔产生的熔体形成的。所以喜欢融化的元素最终进入了地壳。当我们进入地幔时，我们会看到明显不同的矿物质，这就是导致我们刚刚听到的不同地震速度的原因，同时我们也会变得更热。这就是为什么很难钻入地幔的部分原因因为地幔的环境非常热。基本上我们的训练不能很好地维持这种状态。
凯蒂-大家都下了多深?
这有两个方面。最深的洞在俄罗斯的科拉半岛，他们已经钻了12公里，所以这是在大陆地壳里。但他们之所以能钻得这么深是因为那里是地球上非常非常冷的地方。实际上，那是在大陆地壳中，为了到达地幔，他们可能还要再钻30多公里。所以我们钻到离地幔更近的地方是海洋地壳，它要薄得多，但在那里我们只钻了一到两公里，我们还需要再钻四五公里才能到达地幔。所以我们唯一能看到地幔的地方是构造过程把它带到地表的地方，或者是火山爆发带来的小碎片。
凯蒂-我很高兴你提到了这一点，因为构造板块是怎么进来的?我们是如何结束这些真正戏剧性的地质事件的，比如地震和火山爆发?
从某种意义上说，这有点奇怪。我们发现的地球表面，我们在50年代有过争论，但真正的胜利是在60年代，地球表面被分解成这些构造板块。所以基本上大面积的区域不会有很大的变形。然后运动都发生在这些板块的边界有三种不同的方式。它们可以并排移动，就像圣安德烈斯断层一样。它们可以相互靠近，汇聚，就像在日本，一个板块在另一个板块下面。或者它们可以分开，比如在海洋深处的洋中脊，那里有岩浆。
凯蒂:你能解释一下是什么导致了地震和火山爆发吗?
所以当板块相互摩擦时，在并排的情况下，板块基本上是在相互摩擦。地震的发生是因为有一个粘滑机制。板块是粘在一起的，但地幔的力在移动板块，然后在某一点上，断层无法再承受这种力，然后它跳跃，这就是地震事件。基本上这个运动将会赶上地幔的运动，然后重复这个过程。但最大的地震发生在辐合带。这些是板块相互下沉的地方，例如，在日本，在印度尼西亚，在南美洲的下面，这是同样的想法，基本上，再一次，板块卡住了，然后它突然移动，赶上了一直想把它拉下来的力量。
凯蒂-所以在火山里，我们得到了喷发和岩浆。与我们刚刚讨论的相比，那里发生了什么?
大多数岩浆活动发生在海底之下，在那里板块正在分开。所以热岩石接近地表。有趣的是，当它越来越接近表面时，它所受的压强就越来越小。有趣的是，岩石的熔点随着压力的降低而降低。所以在某一时刻，岩石足够热，但压力不够。所以它们融化了，形成了海洋地壳，但它们通常在海底之下，所以我们很少看到它们。但在板块相互碰撞的情况下，也会产生火山。这些是引人注目的火山，比如在日本，在安第斯山脉，在印度尼西亚。在这种情况下,我们得到的是海底,这是会聚板块,是跳粘滑运动,如地震,到室内,和海洋的水渗透到地壳——事实上,当它形成的熔岩,传播方式回到岭的时候,所以这一切被抬下来,水顺着地球内部,然后被释放,和水也减少了地幔的熔点,这就是我们在那个地区融化的原因。 And that's why actually those magmas tend to be the most explosive because that's actually that water forming bubbles as the pressure's released exactly the same idea as we get with a Coke bottle or something, when we open the top and loosen the pressure. And then the third scenario is where we get just purely hot rock coming up towards the surface, just the heat sort of melts the rock. And that's a place like Hawaii is an example of that region.
凯蒂-我很确定你说的是岩浆作用和岩浆磁力，我想你在这两者之间要小心一点!
哈——是的。岩浆活动来自岩浆，磁性当然与磁铁有关。
凯蒂:那么我们对地幔了解多少呢?知识差距在哪里?因为你要开始一个关于地幔的大项目，对吗?
哈——是的。所以我们理解了一点，考虑到它实际上不是我们能很容易得到的东西。很多都来自地震学，我们之前听说过地震学是如何帮助我们区分地壳和地幔的。今天，我们对地球的洋葱皮结构非常了解，一直到地核-地幔边界，但我们可以更进一步，我们现在可以用地震波做CAT扫描。所以我们对三维结构有了一些了解。分辨率相对较差。我们有一些向下运动的感觉，板块向下，但不太了解的一点是，很明显，如果一个东西向下，就会有东西回来，而我们也不了解向上的流动。这将是我们项目的主要焦点。
凯蒂:那你是怎么看待这个问题的呢?
我们可以说，这个项目的中心将是一个动态模型。地幔内部爬行的速度和指甲生长的速度差不多。所以当我们看着它们的时候，我们看不到它们，但我们知道它们在几个月后长大了。地幔也是一样。我们可以在地质时间尺度上模拟它就像流动的液体。有了这个模型，我们将把已知的板块推动历史应用到地表。然后，它会做出预测，例如，现在的结构是什么样子，我们可以将其与地震学进行比较。我们还会研究岩浆的化学性质它们会给我们不同的限制条件。我们还会观察地球表面岩石的磁场特征，这将告诉我们一些关于旧磁场的信息，这将告诉我们关于地核的信息，而地核是地幔所限制的。所以我们会带来这个地球如何运动的模型，然后我们会用所有这些不同的技术来限制它，希望能理解地球是如何飞行的。
地核发生了什么?
克莱尔·尼科尔斯，剑桥大学
我们已经打开了地壳，思考了地幔，现在让我们进入问题的核心。地球的中心到底是什么?克莱尔·尼科尔斯(Claire Nichols)以前是剑桥大学的古地磁学家，现在在麻省理工学院工作，她采访了克里斯·史密斯……
克莱尔:我们只是间接知道地核里有什么，但是有很多证据告诉我们地核主要是由铁元素构成的。
克里斯-你怎么知道的?
克莱尔:两种主要方式。第一，从我们在地球表面看到的岩石质量来看，我们知道地球内部的密度肯定要大得多。我们知道的另一个原因是因为我们知道它一定是导电的因为它产生了地球磁场。
克里斯-当你说密度泄露了这一点，是因为我们对地球的“重量”有一些暗示吗?如果你知道外层较轻的岩石占多大比例，较重的沉入海底，我们可以推断，中间一定有很重的东西?
克莱尔-对。完全正确。
Chris -现在，说到下面的热量，我在项目开头提到过大约有6000多度，不是吗，但是这些热量是从哪里来的呢。因为地球有45亿年的历史，它已经存在很长时间了。你还以为现在已经冷却了呢。那么，为什么地球仍然这么热呢?为什么地核仍然这么热?
克莱尔-是的。所以所有的热量，就像你说的，确实来自地球形成之初，几十亿年前。它中部仍然很热的原因是地壳和地幔太多了所有的热量都要通过它们被吸收。所以就像冰芯穿上了有史以来最厚的冬衣。所以它在冷却，但速度很慢。
当它冷却下来的时候，它会变硬吗因为它的中心是固态的，不是吗?而地核的外层是液体部分。
克莱尔-是的。是的。所以我们认为它在中间开始凝固，内部的固体核心现在随着时间的推移而增长。
克里斯:那我们对磁场是如何产生的有什么见解吗?
克莱尔-是的。所以我们认为今天发生的是，固体内核在喷射其他元素。所以轻元素，比如氧和硫进入地核的液体部分，这就驱动了非常非常强烈的对流。
克里斯-我只是在想象。因此，我得到了地球的正中心，我得到了地心。这就是你说的坚硬的部分。有一些物质从里面出来进入环绕它的液体中，它在旋转，这种旋转在某种程度上产生了这种磁效应。
克莱尔-没错。所以你可以把液体部分想象成熔岩灯。所以物质在周围混合，因为它是由导电材料制成的，所以电可以通过，通过移动电荷，这实际上产生了磁场。
克里斯:很明显，你想弄清楚在我们脚下6000公里的地方是如何工作的。你是怎么做到的?
克莱尔:所以我们看到的是地球表面形成的岩石，当它们冷却时非常方便。就像火山喷出的熔岩流。它们在地表捕获了磁场的记录。所以我们可以看看磁场在今天是怎样的，以及它在过去是怎样的。这告诉我们地核在做什么。
克里斯-哦，对了。所以当这些物质从地球内部以液态岩浆的形式产生时，在它变硬之前，它可以向任何方向移动。但是因为它里面的东西很容易受到地球磁场的影响，所以它会和当时的磁场方向一致。
克莱尔-是的。所以熔岩流中只有这些小磁团。当这些小斑点冷却下来时，它们会与磁场的方向对齐。
克里斯-你怎么知道他们指的方向?所以如果我给你一个鹅卵石，你怎么知道这个鹅卵石是相对于地球磁场的某个方向?
克莱尔:嗯，鹅卵石很棘手，因为我们不知道它在表面上的朝向，但是如果我们去，比如说悬崖表面，或者我们知道它的原始朝向的东西，然后我们可以把它的朝向样本带到实验室。然后我们可以非常非常精确地测量样品中的磁场方向。然后我们可以用它来了解古代的磁场。
克里斯:因为你可以确定岩石的年代，你就知道它的年龄，也就知道那个年代岩石的磁力是怎样的。这样你就能让时光倒流了。
克莱尔-没错。
克里斯-如果你这样做了，那么随着时间的推移，我们对地球磁场有什么了解呢?
克莱尔:所以我们知道地球上有磁场已经有几十亿年了，而且磁场也在不停地摆动。所以它并不总是完美的南北。有时它甚至会翻转。所以它实际上是非常动态的。
克里斯:上次翻转是什么时候?
克莱尔-所以它最后一次翻转是在几十万年前。所以这种情况并不经常发生。
克里斯:我们对这样做的后果有什么见解吗?因为很明显，几十万年前，我们人类的祖先就已经在地球上行走了。所以当这种情况发生时，它对我们所知道的生命来说并不是可怕的灾难。
克莱尔-不。所以我们不这么认为。所以事实上，没有证据表明人类或化石会因为逆转而灭绝，但它会影响到一件事，那就是科技。所以像你的手机这样的东西在倒转期间就不能很好地工作了。
克里斯:为什么?
克莱尔-那是因为我们的磁场保护我们的星球免受宇宙辐射。所以基本上是来自太阳的辐射。如果我们的磁场翻转，它就会弱得多，这意味着我们会受到更多的辐射，这将干扰卫星和各种各样的技术。
克里斯-你知道这些翻转有多快吗?我们能看到磁场坍缩然后在新的方向上重建的证据吗?这是发生得非常快，还是在地质上发生得非常快?意思是几千年。
克莱尔-没错。所以这在地质上发生得很快。因此，逆转需要的时间远远超过我们的一生。但在岩石中，它看起来是瞬间发生的。
克里斯:至于到底是什么导致了这种翻转，我们能弄清楚吗?或者我们只能说，这与地核在某一点上的抽搐有关，与物体的运动有关，这导致了这种情况的发生。我们知道为什么它会这样吗?
克莱尔-所以这还是个谜。我们知道它在相当规律的时间尺度上发生，但我们不完全确定是什么驱动了它。但基本上，它向我们表明，核心内部的流动是非常复杂的，一定有什么东西触发了它们行为的变化。
Chris -随着时间的推移，越来越多的核心变硬，这是否意味着这种情况发生的频率也会改变?
克莱尔-也许可以。是的。这是我们必须寻找的证据，当它发生的时候。
克里斯-希望这不会太快。我喜欢我的手机。我住的地方的信号已经够糟的了。最后一个问题，克莱尔，因为很明显火星和地球的大小非常相似，但火星似乎不再有磁场了。许多人指责没有磁场，因为它现在是一个几乎没有水的星球，而以前它是一个水世界。那么为什么火星失去了磁场，而我们却没有呢?
克莱尔-这是个好问题。部分原因可能是火星比地球小得多。所以它冷却得更快。但我们也认为发生了一些奇怪的事情，使得火星磁场如此早地关闭。所以这是科学家们今天正在积极研究的另一个问题。
为什么我们没有酒窝车?
亚当·墨菲发现了…
达伦-高尔夫球的酒窝是为了破坏球周围的空气。据我所知，这减少了它们的阻力，使它们比完全圆形时飞得更远。为什么我们看不到有酒窝的汽车、飞机和火车?如果这种效果对高尔夫球如此有效，为什么不把它用在f1赛车上呢?
亚当:为什么不呢，毕竟你既可以驾驶高尔夫球又可以驾驶汽车。那么，是什么让一个对酒窝有好处而另一个没有呢?来自剑桥大学惠特尔喷气发动机实验室的山姆·格里姆肖来到这里，试图找到答案
为了回答这个问题，我需要你想象一股气流流过一个物体。我们把物体后面杂乱的流称为尾流，就像你看到的船后面一样。物体上的阻力与尾流的大小和形状有关。
现在，如果我们把物体的表面放大，我们会看到摩擦减慢了空气的速度;这个流动较慢的区域称为边界层。
如果整体流动相对缓慢，物体较小，则空气的粘性使边界层流动平滑。这种气流很难沿着弯曲的表面移动，所以对于一个球体来说，空气在表面的一半左右离开，产生很大的尾流和很大的阻力。
亚当-想象一下你拖着你的手穿过水。如果你先用手掌，你会做一个很大的尾迹，你会感觉到很大的阻力。但是如果你用更细的手，你就能更容易地在水中划动，留下更小的尾迹。所以，因为球不是光滑、流线型的形状，空气不能一直跟着球，它会在球后面形成一个巨大的尾流，把球拉回来……要是有什么办法能搅乱这个大睡醒就好了……
萨姆G -对于快速流过一个大物体的气流，边界层变得搅动起来，或者是紊流。这种类型的流沿着球体表面进一步旋转，产生更小的尾迹和更小的阻力。
高尔夫球虽小但速度快，它在这两种行为之间微妙地保持着平衡。光滑的高尔夫球往往有光滑的边界层，从而产生较大的阻力。然而，酒窝足以扰乱流动，使边界层湍流，减少阻力，让你击球更远。对于汽车或火车来说，与高尔夫球相比，它们非常快，非常大，边界层是湍流的，所以酒窝没有影响。
亚当-真遗憾，我个人想看到一辆有酒窝的F1赛车。
感谢Sam的回答，也感谢evan_au和论坛上的Janus，他们得出了类似的结论。下期节目，我们将从另一位山姆那里回答这个问题。
山姆:如果同卵双胞胎兄弟和同卵双胞胎姐妹结婚，并且这对夫妇各有一个孩子，那这两个孩子会像双胞胎吗?
- 以前的卵子是否更喜欢一个精子?
- 下一个为什么飞机的酒窝不像高尔夫球?
评论
添加注释