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[摘要]现今社会人们把科研看作是一件神圣的事件。好像只有科学家或者其他具有高深知识的学者才能进行。从中学物理知识出发，谈论如何将简单的物理知识驻波的形成和辐射应用地震预测当中，目的是让大众明能否参与科学研究，与你是否具备高深的科技知识无关。中学教师，中学生自己也都能够参与进来。
[关键词]地震 灾害 地震前兆 地底岩层 应力极限 驻波 地震预测
中图分类号：P9 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)1020007－01
一、引言
众所周知，地震是地球上常见的危害极大的自然灾害，这次汶川大地震给那里的人民造成了难以估量的损失，有近7万人遇难，一万七千多人失踪，上千万人有家不能住。地震之所以有如此大的危害。关键在于“地震预报仍属世界难题”，当今世界人们只能从提高建筑物的抗震级别，普及地震知识常识，准备面对地震来临的演练预案等方面着手，以减轻地震给我们造成的损害。人类在大自然面前真的就如此无助吗？
与大自然的力量相比较，任何一个人的力量都是渺小的，但是好在人还有一个头脑在，它可以帮助我们认识自然，提高我们抗击灾害的能力。如果能够利用我们的头脑，找到准确预报地震的方法，地震对自然的破坏依旧但我们生命和财产造成的损失就可以减少90%。在我国经过多年努力，已经积累了比较丰富的地震前兆资料。根据中国地震局透露，目前，中国已经建成包括测震、形变、电磁、流体四大学科，共有二十余种观测手段。鉴于我们所处的条件和知识水平，无法对过去的灾害提供有效帮助。在此我们想就地震预报的方法上谈一些自己的观点，以激发同学们学习之热情和供专家一笑。
二、概论
在民间人们谈论最多的地震前兆是“动物预兆”或“动物前兆”，在地震和其他自然灾害将要发生的时候，许多动物如家畜、家禽；蚯蚓、老鼠、蚂蚁、鱼等都会出现异常举动。这就是人们常讲的“动物预兆”，不过纵观灾害发生的历程可知，“动物预兆”是经常发生，不是一定会发生。也不是只有地震来临前才会发生，其他情况下，例如：台风、暴雨以及其他反常情况前也有发生。况且地震灾害出现时，危害范围很广，在这个区域内很多地方都没有出现“动物前兆”，他们依然是重灾区。那么“动物前兆”为什么会发生呢？公认的观点是：有些动物可以感知我们人类感觉不到信息。毫无疑问这个信息是从灾害源发出的，灾害源为什么会发出信息，它又发出了什么样的信息呢？我们认为信息之一是次声波。
从现在的中学物理教材我们就可以知道，人能够听见的声波频率范围是20~20000赫兹，许多动物能够听见的声波频率比这要广得多。通常认为地震发生之后会产生次声波，那么地震发生前也会产生次声波吗？会的。请看一个中学物理实验。
实验1，如图所示，将电磁打点计时器固定在桌面边缘，把一根细线连在计时器的振动片上，线的另一端通过定滑轮挂一个砝码，在滑轮前面设置一尖劈顶住细线。启动计时器后保持其他条件不变，改变砝码的质量，在质量合适的时候我们会看见细线明显振动起来，而且振动中某些位置的点几乎不动，同时还伴有较为低沉的呜呜声。让砝码的质量保持不变，调节尖劈所在的位置更容易观察到细线的振动和听见同样的声音，以上就是中学物理的驻波实验。稍微改变砝码质量后，劈的位置不变细线上的驻波便消失了，需要再次调整劈的位置才能重新出现驻波。
在这里我们不必从理论上去推导在细线上形成驻波的条件，我们直接引用教材中的结论，细线的长度为四分之一波长的奇数倍：
时，细线上便会形成驻波。这个实验和我们地震预测有何关联呢？在上述实验中改变砝码的质量，就会改变细线的张力大小，而张力大小（线的紧张程度）是线的基本属性（影响波速的性质）之一，打点计时器的频率是不变的，波速变化时波长就要发生改变，所以不同的细线张力对应着劈所在的不同位置才能形成同频率的驻波。在地震的震源处，发生地震之前相应的岩层应力（类似于上述的细线张力）因为地壳板块运动而造成扭转、挤压、拉伸达到极限，震动波在这样的岩层中形成和传播的时候，波长和在正常的岩层中传播时完全不一样，如果能够让岩层振动起来而形成驻波，正常岩层和接近应力极限的岩层就会以不同的波长向周围空间辐射能量。
实验2，找一把吉他，去掉三根弦只保留一根弦。将弦缓慢拧紧后拨动之，听其音调。再拧紧拨动，会感到其调变高，更紧之后拨动它其调越高，如此反复直到弦断裂。在弦即将断裂前我们拧动旋钮的时候也会听见呜呜声。它表明固体在达到应力极限的时候的确会对外发出声波。换不同的弦重复实验，可以发现弦越粗越长它发出的声音频率就越低，但是同一根弦总是在靠近应力极限的时候频率比正常时高。同理，如果能够有大型的设备我们不妨对岩石的拉伸和挤压进行试验，看看他们断裂前有什么异常举动没有。我们曾经与开山取石的石工师傅作过交流，据他们介绍在裂石的时候，大锤不断地敲击铁销以增大销子对石块的压力，稍有经验的师傅都能判断出，这一锤下去过后石块断裂的可能性（当然师傅们的判断准确率同我们现在预测地震的水平差不多很不精确）。但凭借当今的技术水平，我们对石块在什么样的应力条件下会断裂的参数确定，可以比石工师傅的经验判断高出何止万倍？
用对应力极限的研究来预报地震需要解决的问题有：（1）地下（尤其是地震发生处）的岩层结构与地上的岩石有无不同，都有哪些差别？（2）地下的常态环境中的压强和温度如何？（3）怎样才能获得地下岩层中形成的驻波的波长（或者频率）？所有这些都因为当今科技“上天容易入地难”而成为预测地震的难题。
我们认为：第一个问题的解决办法是，可以通过研究火山口附近，火山爆发的时候早期蹦出的物质的结构来确定地下岩层的构造与地表结构的差异。目前的辐射理论可以帮助我们获得地下岩层常态的温度和压强，第二个问题也可以解决。
第三，我们的监测装置在地上，达到应力极限的岩层在地下，到几十公里深的地下测波长是不可能的。不过，驻波的形成是物体把振动的能量向周围空间辐射的最有效手段。反过来说驻波也是最有效的选择吸收外界波动能量的手段。当我们外界的波动频率与驻波的频率相等的时候，外界波动的能量就能够最大程度地被驻波吸收，我们已经在广泛使用的广播、电视、手机等就是用这种方式来选择所要接收的信号的。鉴于此我们要想知道某一个地方的地下岩层是否因为板块运动而接近应力极限，我们就可以在此发射与应力极限波长对应的振动波，当这些波动的能量被最大程度地吸收时，这个地方的地震很快就会发生了。这个方法具有多大的可行性呢？我们认为：难以施行。原因有二，其一，我们发射的波要穿透到地下几十公里处，需要的装置一定十分庞大，需要耗费的人力和物力我们未必承受得起。其二，就算我们制造出来的这样的装置，也有能力让它运转起来。但是我们怎样能够知道装置所发出的波，是否被吸收了，在哪里被吸
收的呢？现在的CT技术都需要在被检测部位的前面和后面分别安置发射装置和接收装置才能获得人体内部的断面结构，要给地球作CT检查，我们没有办法安放装置。不过自然造物总是给我们留有许多机会，驻波法研究地下岩层是否达到应力极限，并不需要我们人为去制造发射装置，只要能够让地下岩层振动起来，它自己就会以驻波方式向地面辐射能量。地下岩层会振动起来吗？请看对比：拨动或者敲打琴弦，它就能够振动起来形成驻波并对外辐射能量。一旦有气流冲击笛子，笛管中的空气柱就会振动起来形成驻波并对外辐射能量。大家都知道，火山或地震形成的主要原因是地底岩浆的活动，既然地底岩浆在不断流动，岩浆的流动必然要引起振动，这些振动在地下岩层达到应力极限的地带和其它地带是不一样的，找到并测定这种不一样，就可以知道地震是否会很快发生了。当然由于地底岩石是一个庞然大物，他的频率一定会很低，这就要求我们有能力探测到频率很低的振动波。
三、结论
综上所述，我们现在需要做的事情是：（1）确定地底岩石的成分和其所在物理环境。（2）分析地底岩石在不同应力条件下的固有频率，找出达到应力极限的地底岩石的固有频率。（3）制造出能较为准确地测定超低频率振动的仪器设备。（4）将设备安放在经常发生地震的各断裂带附近并多渠道地与各种预警网络联络，以便适时发出预警信息。
设备安装建议：由于地底岩石的庞大，它达到应力极限时振动的固有频率(驻波频率)超低，我们要检测是否有这种振动产生，可以利用在地面上的固定设备，但是设备本身也会随地壳振动而运动，监测效果一定不好，这就是用驻波法预测地震的难点所在。不过科技探测卫星可以精确测定断裂带附近地表任意两点间的距离变化，记录下这种变化就能够知道地下振动的情况。预测难点可以突破，预测地震必将成为可能。
作者简介：
杨锡均，男，1988年毕业于四川师范大学物理系，现在重庆市綦江中学担任物理教学工作，綦江县高中物理中心教研组组长；田欢，男，2008年7月考入重庆市綦江中学2010级16班，綦江中学物理课外小组成员，綦江中学科技创新小组成员，高2010级16班班长。
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
[关键词]地震 灾害 地震前兆 地底岩层 应力极限 驻波 地震预测
中图分类号：P9 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)1020007－01
一、引言
众所周知，地震是地球上常见的危害极大的自然灾害，这次汶川大地震给那里的人民造成了难以估量的损失，有近7万人遇难，一万七千多人失踪，上千万人有家不能住。地震之所以有如此大的危害。关键在于“地震预报仍属世界难题”，当今世界人们只能从提高建筑物的抗震级别，普及地震知识常识，准备面对地震来临的演练预案等方面着手，以减轻地震给我们造成的损害。人类在大自然面前真的就如此无助吗？
与大自然的力量相比较，任何一个人的力量都是渺小的，但是好在人还有一个头脑在，它可以帮助我们认识自然，提高我们抗击灾害的能力。如果能够利用我们的头脑，找到准确预报地震的方法，地震对自然的破坏依旧但我们生命和财产造成的损失就可以减少90%。在我国经过多年努力，已经积累了比较丰富的地震前兆资料。根据中国地震局透露，目前，中国已经建成包括测震、形变、电磁、流体四大学科，共有二十余种观测手段。鉴于我们所处的条件和知识水平，无法对过去的灾害提供有效帮助。在此我们想就地震预报的方法上谈一些自己的观点，以激发同学们学习之热情和供专家一笑。
二、概论
在民间人们谈论最多的地震前兆是“动物预兆”或“动物前兆”，在地震和其他自然灾害将要发生的时候，许多动物如家畜、家禽；蚯蚓、老鼠、蚂蚁、鱼等都会出现异常举动。这就是人们常讲的“动物预兆”，不过纵观灾害发生的历程可知，“动物预兆”是经常发生，不是一定会发生。也不是只有地震来临前才会发生，其他情况下，例如：台风、暴雨以及其他反常情况前也有发生。况且地震灾害出现时，危害范围很广，在这个区域内很多地方都没有出现“动物前兆”，他们依然是重灾区。那么“动物前兆”为什么会发生呢？公认的观点是：有些动物可以感知我们人类感觉不到信息。毫无疑问这个信息是从灾害源发出的，灾害源为什么会发出信息，它又发出了什么样的信息呢？我们认为信息之一是次声波。
从现在的中学物理教材我们就可以知道，人能够听见的声波频率范围是20~20000赫兹，许多动物能够听见的声波频率比这要广得多。通常认为地震发生之后会产生次声波，那么地震发生前也会产生次声波吗？会的。请看一个中学物理实验。
实验1，如图所示，将电磁打点计时器固定在桌面边缘，把一根细线连在计时器的振动片上，线的另一端通过定滑轮挂一个砝码，在滑轮前面设置一尖劈顶住细线。启动计时器后保持其他条件不变，改变砝码的质量，在质量合适的时候我们会看见细线明显振动起来，而且振动中某些位置的点几乎不动，同时还伴有较为低沉的呜呜声。让砝码的质量保持不变，调节尖劈所在的位置更容易观察到细线的振动和听见同样的声音，以上就是中学物理的驻波实验。稍微改变砝码质量后，劈的位置不变细线上的驻波便消失了，需要再次调整劈的位置才能重新出现驻波。
在这里我们不必从理论上去推导在细线上形成驻波的条件，我们直接引用教材中的结论，细线的长度为四分之一波长的奇数倍：
时，细线上便会形成驻波。这个实验和我们地震预测有何关联呢？在上述实验中改变砝码的质量，就会改变细线的张力大小，而张力大小（线的紧张程度）是线的基本属性（影响波速的性质）之一，打点计时器的频率是不变的，波速变化时波长就要发生改变，所以不同的细线张力对应着劈所在的不同位置才能形成同频率的驻波。在地震的震源处，发生地震之前相应的岩层应力（类似于上述的细线张力）因为地壳板块运动而造成扭转、挤压、拉伸达到极限，震动波在这样的岩层中形成和传播的时候，波长和在正常的岩层中传播时完全不一样，如果能够让岩层振动起来而形成驻波，正常岩层和接近应力极限的岩层就会以不同的波长向周围空间辐射能量。
实验2，找一把吉他，去掉三根弦只保留一根弦。将弦缓慢拧紧后拨动之，听其音调。再拧紧拨动，会感到其调变高，更紧之后拨动它其调越高，如此反复直到弦断裂。在弦即将断裂前我们拧动旋钮的时候也会听见呜呜声。它表明固体在达到应力极限的时候的确会对外发出声波。换不同的弦重复实验，可以发现弦越粗越长它发出的声音频率就越低，但是同一根弦总是在靠近应力极限的时候频率比正常时高。同理，如果能够有大型的设备我们不妨对岩石的拉伸和挤压进行试验，看看他们断裂前有什么异常举动没有。我们曾经与开山取石的石工师傅作过交流，据他们介绍在裂石的时候，大锤不断地敲击铁销以增大销子对石块的压力，稍有经验的师傅都能判断出，这一锤下去过后石块断裂的可能性（当然师傅们的判断准确率同我们现在预测地震的水平差不多很不精确）。但凭借当今的技术水平，我们对石块在什么样的应力条件下会断裂的参数确定，可以比石工师傅的经验判断高出何止万倍？
用对应力极限的研究来预报地震需要解决的问题有：（1）地下（尤其是地震发生处）的岩层结构与地上的岩石有无不同，都有哪些差别？（2）地下的常态环境中的压强和温度如何？（3）怎样才能获得地下岩层中形成的驻波的波长（或者频率）？所有这些都因为当今科技“上天容易入地难”而成为预测地震的难题。
我们认为：第一个问题的解决办法是，可以通过研究火山口附近，火山爆发的时候早期蹦出的物质的结构来确定地下岩层的构造与地表结构的差异。目前的辐射理论可以帮助我们获得地下岩层常态的温度和压强，第二个问题也可以解决。
第三，我们的监测装置在地上，达到应力极限的岩层在地下，到几十公里深的地下测波长是不可能的。不过，驻波的形成是物体把振动的能量向周围空间辐射的最有效手段。反过来说驻波也是最有效的选择吸收外界波动能量的手段。当我们外界的波动频率与驻波的频率相等的时候，外界波动的能量就能够最大程度地被驻波吸收，我们已经在广泛使用的广播、电视、手机等就是用这种方式来选择所要接收的信号的。鉴于此我们要想知道某一个地方的地下岩层是否因为板块运动而接近应力极限，我们就可以在此发射与应力极限波长对应的振动波，当这些波动的能量被最大程度地吸收时，这个地方的地震很快就会发生了。这个方法具有多大的可行性呢？我们认为：难以施行。原因有二，其一，我们发射的波要穿透到地下几十公里处，需要的装置一定十分庞大，需要耗费的人力和物力我们未必承受得起。其二，就算我们制造出来的这样的装置，也有能力让它运转起来。但是我们怎样能够知道装置所发出的波，是否被吸收了，在哪里被吸
收的呢？现在的CT技术都需要在被检测部位的前面和后面分别安置发射装置和接收装置才能获得人体内部的断面结构，要给地球作CT检查，我们没有办法安放装置。不过自然造物总是给我们留有许多机会，驻波法研究地下岩层是否达到应力极限，并不需要我们人为去制造发射装置，只要能够让地下岩层振动起来，它自己就会以驻波方式向地面辐射能量。地下岩层会振动起来吗？请看对比：拨动或者敲打琴弦，它就能够振动起来形成驻波并对外辐射能量。一旦有气流冲击笛子，笛管中的空气柱就会振动起来形成驻波并对外辐射能量。大家都知道，火山或地震形成的主要原因是地底岩浆的活动，既然地底岩浆在不断流动，岩浆的流动必然要引起振动，这些振动在地下岩层达到应力极限的地带和其它地带是不一样的，找到并测定这种不一样，就可以知道地震是否会很快发生了。当然由于地底岩石是一个庞然大物，他的频率一定会很低，这就要求我们有能力探测到频率很低的振动波。
三、结论
综上所述，我们现在需要做的事情是：（1）确定地底岩石的成分和其所在物理环境。（2）分析地底岩石在不同应力条件下的固有频率，找出达到应力极限的地底岩石的固有频率。（3）制造出能较为准确地测定超低频率振动的仪器设备。（4）将设备安放在经常发生地震的各断裂带附近并多渠道地与各种预警网络联络，以便适时发出预警信息。
设备安装建议：由于地底岩石的庞大，它达到应力极限时振动的固有频率(驻波频率)超低，我们要检测是否有这种振动产生，可以利用在地面上的固定设备，但是设备本身也会随地壳振动而运动，监测效果一定不好，这就是用驻波法预测地震的难点所在。不过科技探测卫星可以精确测定断裂带附近地表任意两点间的距离变化，记录下这种变化就能够知道地下振动的情况。预测难点可以突破，预测地震必将成为可能。
作者简介：
杨锡均，男，1988年毕业于四川师范大学物理系，现在重庆市綦江中学担任物理教学工作，綦江县高中物理中心教研组组长；田欢，男，2008年7月考入重庆市綦江中学2010级16班，綦江中学物理课外小组成员，綦江中学科技创新小组成员，高2010级16班班长。
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”