固态、液态、超离子态……宇宙天体的“内心”到底什么样?#宇宙#

  实际上,与对其他天体核心的了解相比,我们对地球核心的认知还是很多的,地震学仍然是认识地核的主要手段,当然我们也可以通过高温高压的实验和计算模拟,对某些天体核心性质进行研究,但这个研究难度就大得多了。

  何宇 中国科学院地球化学研究所地球内部物质高温高压重点实验室研究员

  地球是目前人类在宇宙中的唯一家园,我们对它足够了解吗?未必。我国科学家最新的研究成果表明,地球内核并非传统认知的固态,而是由固态铁和流动的轻元素组成的超离子态。

  日前,中国科学院地球化学研究所地球内部物质高温高压重点实验室研究员李和平、何宇与中国科学院外籍院士、北京高压科学研究中心毛河光等人组成的研究团队在《自然》刊发的论文颠覆了人们对地球核心的已有认知。

  超离子态是地球和行星科学研究中的新物态,因其特殊的性质引起了广泛关注。当人类探索的足迹不断迈向宇宙深处,我们不禁会问:超离子态会广泛存在于宇宙天体内部吗?这个发现对于我们研究地球和宇宙有什么意义?

  揭开地心的神秘面纱

  波涛汹涌的大海、耀眼的电闪雷鸣、摄人心魄的岩浆崩裂、巨大的蘑菇林……在法国作家凡尔纳笔下的《地心游记》中,地球内部是一个丰富多彩的奇幻世界。事实上,科学研究表明,地球内核并不是凡尔纳所想象的空心结构。

  地球的年龄大概46亿岁。科学技术的进步,使人类能够上天、入海,然而“入地”却仍然是困难重重。几千年来,没有任何人类的设备能够钻透地壳。受限于观测数据的匮乏,人们对于地球内核结构和性质的认知非常有限。

  地震学的发展使得人们可以利用地震波获得地球内部的信息。1936年,科学家通过观测分析地震纵波穿过地核时形成的影区,首次发现了地球内核的存在,人们根据纵波和横波数据的分析,确立了地球液态外核和固态内核的基本认知。

  当然,如果没有亲眼看到,我们无法确切地知道地球内核究竟是什么。不幸的是,向地球深处发射探测器是不可能的。这就是为什么此次研究人员在他们的最新研究中专注于计算机模拟。

  何宇说,地球内核的密度比纯铁要低,因而人们推测地球内核中存在某些轻元素。对于这些潜在的超离子态铁合金,前人做了大量的研究,但重元素与轻元素是以什么状态共存的还是个谜。为此,研究团队利用基于量子力学的分子动力学模拟,在地球核心的温度和压力下进行了计算模拟,表明地球内核并非传统认知的固态,而是由固态铁和流动的轻元素组成的超离子态。

  所谓的超离子态,介于固态和液态之间,在超离子态物质中一部分离子如液体一般快速运动,而另一部分离子如“骨架”一般固定。最新研究成果吸引了相关研究领域专家的关注,大家普遍认为这是非常重要的创新认识,对认知地球内核结构、乃至研究整个宇宙的天体内核结构非常重要。

  宇宙天体内核之谜待解

  茫茫宇宙,存在着大量的天体。一般来说,天体之间由于相互吸引和相互绕转的关系,可以被分为不同层级的天体系统,其中包含地球的天体系统从小到大分别是地月系统、太阳系、银河系、总星系和宇宙。

  目前人类对于地月系统、太阳系和银河系了解得相对多一些,而对于总星系和宇宙的了解则相对较少。那么不同类型的宇宙天体,其内核会是什么状态的?也会和地球一样是超离子态吗?对此,何宇解释,目前人类能直接探测的行星核心有限,已知的行星核心状态主要是液态和固态,有些天体甚至还不一定有内核;至于超离子态核心则更稀少,因为它要满足温度、压力以及组成物质等条件才能形成。

  不久前,南京大学物理学院教授孙建等人预言,巨行星内部存在超离子态硅—氧—氢化合物。

  长期以来,关于天王星和海王星等巨行星们内部物质存在很多争议,目前有冰巨星和岩石巨星两类行星模型。冰巨星模型可以解释天王星和海王星的磁场,而磁场与行星内核紧密相关,但这种模型不能解释所有对它们的观测数据,如行星大气中的氕氘比例。岩石巨星模型则可以解释氕氘比例,并且其冰岩比例与柯伊伯带天体相近,更容易解释行星的起源问题,但是缺少导电物质来解释行星磁场。此外,天王星与海王星核幔边界的结构也是一个长期存在的问题。一般认为,天王星与海王星的地幔主要由水、氨和甲烷组成,核心为石质,主要成分为二氧化硅。目前尚不清楚,二者在核幔交界处是有清晰的边界还是渐变的过渡区。

  孙建等人利用晶体结构搜索和第一性原理计算等方法预言了多种硅—氧—氢化合物,并发现其中的二氧化硅—水与二氧化硅—氢两种化合物的超离子态范围,正好符合天王星与海王星核幔边界附近的温度压强条件。研究表明,硅—氧—氢化合物的超离子相可能是天王星与海王星内部的重要组成部分。

  人类研究天体核心的脚步从未停歇

  “实际上,与对其他天体核心的了解相比,我们对地球核心的认知还是很多的,地震学仍然是认识地核的主要手段,当然我们也可以通过高温高压的实验和计算模拟,对某些天体核心性质进行研究,但这个研究难度就大得多了。”何宇说,尽管难度很大,但人类没有停止过探索的脚步。

  开普勒天文望远镜的观测数据表明,类地行星在宇宙中十分普遍。由于它们距离地球过于遥远,对它们进行研究难度非常大。金星虽然是人类探索的第一颗太阳系内行星,但由于金星登陆难度太大,科学家便转移了目标,转而探索火星。

  事实上,火星的直径只有地球的一半,体积只有地球的15%,引力也只有地球的38%,而且火星已经处于太阳系宜居带的边缘。因此,研究火星有助于人类预测类地行星的成分和大气层。

  何宇表示,美国国家航空航天局的“洞察号”火星探测器收集到了经过火星内核的火星地震信号,这是人类首次探测到地外行星核。不过由于数据量不足,科学家还是不能确定,火星是否有个固态的内核。

  2018年,“洞察号”在火星表面成功着陆,并于2019年4月首次探测到火星地震。与地球上发生的地震相比,火星震动强度显得微不足道,但每次火星震动都能揭示火星内部构造,通过研究地震波如何穿过行星的不同层,科学家可以推断不同层的深度和组成。从某种意义上来说,火星震动相当于给火星拍摄了一张X光片,科学家可以通过研究火星地幔和地核之间的深边界反射的地震波,来测量火星地核的大小。

  何宇表示,今年美国国家航空航天局将开启对灵神星的探索之旅,这个小行星非常特别,主要由铁镍合金组成,可能是早期行星的核心残骸,“这次探索将确定它是否是行星核心,这对于我们认知地球以及其他行星的核心十分重要。”

  来源:科技日报

转——李爱珍,这个71岁的老太太,中科院上海研究所的一个普通研究员,数次参选中国科学院院士的评选,没有xxxx,均在第一阶段就惨遭淘汰。但是,她却在自己没申请、事先也不知情的情况下,当选上了美国科学院的院士。而中国目前为止能拥有这一荣誉的科学家只有11人,李爱珍是唯一没有院士头衔的研究员。

【全国人大代表蔡继明:#推进城乡融合发展助力实现共同富裕#】“共同富裕”成为近年来政策层面一大热词,2021年,浙江省被选定建设高质量发展建设共同富裕示范区。浙江团全国人大代表、清华大学政治经济学研究中心主任蔡继明认为,实现共同富裕,要着力解决发展城乡不平衡不充分问题。他认为,需要在大幅度转移农业人口的基础上大幅度提高户均耕地规模,才能最终改变城乡发展不平衡不充分的状况,还要探索开放农村集体经济组织边界,促进城乡融合发展。

谈共同富裕:
大幅度提高户均耕地规模 破解城乡发展不平衡不充分问题
北青报:高层多次提到共同富裕,要着力解决发展不平衡不充分问题和人民群众急难愁盼问题。但目前存在发展不平衡不充分问题,尤其是城乡发展不平衡不充分,您对此怎么看?城乡发展不平衡不充分的成因是什么?
蔡继明:农民相对收入低,根本原因是农业劳动生产力相对低。2020年我国第一产业增加值只占GDP的7.7%,但农业从业人员则占了全国从业人员的23.6%,二者之比为0.28,而在1952年,二者的比值为0.60,这表明我国农业劳动生产率与第二、三产业劳动生产率的相对差距在逐年扩大。发达国家的农业劳动生产率已达到其工业劳动生产率的1/2左右,而我国目前的农业劳动生产率只有第二产业劳动生产率的1/5。
我国农业劳动生产率低的技术成因是户均土地经营规模过于狭小。另一方面,城乡居民收入差距中,财产性收入差距高达11.65倍,其中主要原因是农村集体土地与城市国有土地同地不同权,农民的宅基地使用权没有用益物权和担保物权,这就堵塞了农民获取财产性收入和融资贷款的渠道。
北青报:“三农问题”成为老生常谈,乡村振兴被提上日程,如何破解城乡发展不平衡不充分问题,增强城乡融合发展?
蔡继明:走出三农困境,历史上曾尝试过不同的路径选择,一是离土不离乡、进厂不进城的农村工业化,随着乡镇企业衰落,大量农民进城务工,这条路已经半途而废;二是进城不落户、迁徙不定居,由此导致数以千万计留守妇女、老人和儿童,这条半城市化的道路也不可持续;三是就“三农”论“三农”的新农村建设,除了村容整洁,在缓解人地矛盾等方面收效甚微。
由此看来,解决“三农”问题,实现乡村振兴,不能就农民谈农民、就农村论农村,只有跳出“三农”的范围,才能真正意义上解决“三农”问题。从扶贫攻坚到乡村振兴,最终的落脚点应该是城镇化。城镇化才是解决“三农”问题的根本出路。城镇化包括农村居民的市民化,鼓励“农民离土不离乡”、“进厂不进城”并安于“进城不落户”、“迁徙不定居”的半城市化的生活,并不能从根本上解决“三农”问题。解决三农问题的根本途径是在大幅度转移农业人口的基础上大幅度提高户均耕地规模。
只有随着城镇化率的提高即农村从业人员的减少,使农村户均土地达到50亩以上规模经营水平,从事农业生产的收入与进城务工的收入大体持平,才能最终改变城乡发展不平衡不充分的状况,真正实现城乡融合发展。
北青报:还有哪些促进城乡融合发展、共同富裕的政策建议?
蔡继明:还要探索开放农村集体经济组织边界,促进城乡融合发展。随着工业化、城镇化和农业现代化的推进,城乡之间、城市之间、乡村之间的人口流动会愈加频繁,规模也会越来越大,农村集体经济组织的发展应该是开放型的。农地制度的安排应该顺应这一城乡关系变革和农村传统社会变革的历史潮流,而不能成为阻碍这场变革的桎梏。
因此,建议在保障进城落户农民的土地承包权、宅基地使用权、集体收益分配权的前提下,既要允许原有的成员进城落户之后通过转让土地承包权、宅基地资格成员权等方式放弃其成员权,也要允许外来的人口通过接入承包权等方式获得集体经济组织成员权。
在提升城市包容性、推动农民工特别是新生代农民工融入城市的同时,也要敞开农村集体经济组织的大门,参照城市允许农民进城落户的条件,制定外来务农者(包括市民)进村的条款,允许他们购买当地农民的自建住房或租用宅基地建房,在土地承包转包(包括租金和期限)、惠农政策、社会保障等方面享受与当地农民同等的待遇,推进外来务农者本地化和村民化。
谈农民进城:
解决进城务工人员“住有所居”的问题
北青报:如何推进农业转移人口的市民化,阻碍农民工进城落户的主要因素是什么?
蔡继明:由于城乡二元制度的存在,农业转移人口受到务工所在城市就业、医疗、养老、教育、社会保障等制度的制约,造成无法在长期务工城市安居。根据《2018年农民工监测调查报告》数据,我国农业转移人口在城市购买住房的仅有17.4%,享受保障性住房(包括租赁公租房和购买保障性住房的)的仅有2.9%。此外,当前我国城市住房保障制度还将大部分农业转移人口排除在外,农业转移人口的城市住房问题成为社会关注的焦点,农业转移人口城市住房普遍存在人均面积小 、配套设施不齐全、居住环境较差、容易形成家庭成员居住隔离甚至住房贫困等问题,严重影响了农业转移人口的居住品质,降低了农业转移人口的市民化意愿。
所以,在推进城乡基本公共服务均等化进程中,只有首先解决进城务工人员“住有所居”的问题,才能保证农民工随迁子女“学有所教”,也才能有助于随迁老人实现“老有所养”。
谈土地制度改革:
尽快出台农村集体建设用地入市的政策
北青报:您提出的推动土地要素市场化配置,实现生产要素在城乡之间自由流动,具体怎么理解?农村宅基地使用权在城乡之间流转的主要障碍是什么?政策方面需要有哪些突破?
蔡继明:长期以来,我国土地资源一直实行的是计划和行政配置,即使在2013年中共十八届三中全会提出让市场在资源配置中起决定性作用,土地资源配置例外的主张仍然在某些部门占主导地位,以至于2019年新修订的《土地管理法》中,居然鲜见“市场”二字,而无论是2007年颁布的《物权法》还是2020年颁布的《民法典·物权编》,都对农村集体的宅基地和城市国有的住宅建设用地使用权做了不同的规定,农村宅基地并不具有与城市宅基地同等的用益物权和担保物权。因此,同步推进城乡土地产权同权化和土地资源配置市场化,是实现土地要素在城乡之间自由流动的基本制度保障。
为此,建议从根本上改革土地原有的计划管理体制,变行政配置为市场配置,盘活农村闲置宅基地,允许宅基地使用权在城乡之间流转,缩小城乡居民过高的财产性收入差距,同时为城市工商资本下乡发展现代农业、城市各类人才下乡参与乡村振兴、城市居民下乡休闲养老,提供产业发展配套设施和生活居住条件。
尽快出台农村集体建设用地入市的政策,通过城乡建设用地增减挂钩,将农村大量闲置的建设用地(特别是宅基地)转变为城市建设用地(特别是住宅建设用地),通过增加城市建设用地供给降低地价进而降低房价,最终降低农民工进城落户门槛。
文/北京青年报记者 李泽伟


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