2011 年 3 月 11 日星期五下午，当大地开始震动时，Kosuke Heki 正在日本北部北海道大学的办公室里。脉冲间隔很远，每个脉冲持续几秒钟。Heki 是一位研究一种神秘现象的地球物理学家，该现象涉及地震后天空中电子形成的奇怪模式，他对地震感兴趣，但并不特别惊慌。这似乎是一场大地震，但离得很远。随着震动持续，他认为来自该事件的数据可能有助于他的研究。然后有人打开了新闻，Heki 的好奇心变成了恐惧。
他感受到的震波来自现代日本历史上最严重的地震——破坏性的 9.0 级东日本大地震，这场地震给日本造成了数千亿美元的损失，并夺走了超过 15,000 名同胞的生命。地震后的海啸使福岛第一核电站瘫痪，并引发了四分之一世纪以来最严重的核灾难。
当紧急救援人员在该国另一地区努力疏散人员和拯救生命时，Heki 只能等待零星的电话和互联网服务恢复在线。到星期日，互联网恢复工作，他迅速下载了东北地区上空空气的卫星观测数据，并如饥似渴地梳理这些数据。正如他所预料的那样，电离层中的电子在地震发生 10 分钟后显示出扰动。但他无法仅通过查看地震发生后的几分钟来使他的模型与数据相符。因此，他尝试扩大时间范围，包括地震发生前一小时。那时他看到了一些让他震惊的东西。
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在地震发生前四十分钟，震中上方的电子密度略有上升。也许这是一个异常现象，一次性事件或仪器故障。或者也许还有更多。科学家们尚未找到可靠的地震前兆——一种可以在大地震发生前向人们发出警报的明显迹象。如果电子变化是这样一种预警，它们每年可以拯救数千人的生命。
同事们形容 Heki 为谦逊、安静和谨慎，他立即对自己的数据持怀疑态度，因此他调出了另外两次地震的信息。他再次看到了密度变化，并决定继续挖掘。迄今为止，他已经在 18 次大地震之前发现了电子信号，并且在过去的七年中，他开始相信这是真实的。
其他专家现在也开始密切关注这个想法。“多年前，人们不认为我们可以预测天气，但我们现在可以做到，”美国宇航局喷气推进实验室的遥感专家 Yuhe Song 说。“我们可能可以在地面感受到震动之前看到一些东西。那里有一些东西……我认为这值得讨论。”
并非所有人都同意。许多科学家认为 Heki 的工作是长期以来虚假预测承诺中的最新案例。“这些东西就像普通感冒：它们总是会发生，”东京大学的名誉教授、地震学家 Robert J. Geller 说，他多年来一直在揭穿各种地震预测的想法。“如果你忽略它们，它们就会消失。”
图片来源：Matthew Twombly
然而，Heki 的想法似乎正在坚持下去，并且可能变得越来越强大。电子信号不仅出现在最大的地震中，也出现在中等规模的地震中。其他科学家已经形成了一种理论，将地下的断层与天空中的活动联系起来。Heki 已在《地球物理研究快报》等知名期刊上发表了他的发现，并应邀在美国地球物理联合会年会上就这些结果发表演讲。今年春天，日本千叶大学举办了一次专门会议，讨论地震预测，包括他的想法。如果 Heki 是正确的，那么这对公共安全的影响将是巨大的，但关于如何使用这种前兆存在一些难题。预警系统必须有多准确才能发出警报，以及应该采取什么样的紧急响应？
预测最坏的情况
据说地震震级量表的创建者查尔斯·F·里氏曾说过，“只有傻瓜和骗子才会预测地震。”但这并没有阻止人们尝试。据报道，公元前 373 年，动物在估计为 6.0 至 6.7 级的地震袭击希腊并摧毁了海利克城之前五天逃往避难所。日本人曾经认为，鲶鱼的抽搐或抽搐可以预测地震。据说狗、绵羊、蜈蚣、牛奶和一种名为大眼斑雉的苏门答腊雉鸡都会在地震前改变它们的行为。
其他人则将突然干涸的水井、温度变化、氡气排放，当然还有成群的小型前震视为可能的前兆。1975 年，中国人甚至利用这些迹象（包括动物行为）成功预测了 7.3 级地震，并及时开始疏散海城。这燃起了希望。“在 1970 年代，美国和日本的地震学家对短期地震预测变得非常乐观，”东京大学岩石力学专家中谷正雄说。“我们倾向于相信地震一定是可预测的。”到 1980 年代，美国和日本都成立了研究小组来应对这一挑战。
地震的代价：在几乎没有预警的情况下，致命的东北地震和海啸摧毁了日本城市陆前高田；之后，居民在废墟中行走。图片来源：Nicolas Asfouri Getty Images
然而，可靠的信号被证明难以捉摸。在中国取得成功一年后，同样的技术未能发现另一次更大的地震，那次地震造成数十万人丧生。日本位于环太平洋构造活跃的火环带上，投入了相当大的精力，但发现前兆只奏效一次，而不会再次奏效。大自然似乎一直在改变规则。美国在 1990 年代后期放弃了预测工作，此前，根据先前地震的模式预测的地震未能出现在加利福尼亚州帕克菲尔德附近。（它最终在 2004 年袭击了该地区，但没有出现任何预期的预警信号。）
在东日本大地震发生的那一年，意大利政府设立的国际预测委员会实际上结束了该领域。“尽管日本持续进行研究努力，但很少有证据表明存在预示即将发生的大地震的前兆，”成员们在 2011 年 5 月写道。
四个月后，Heki 重启了这本书。他看到的是奇异的离子化粒子团，它们不在地球表面或地表，而是在地表以上 186 英里处。地面和天空之间存在联系的想法并非异想天开。在 1970 年代，科学家们首次发现，处于额外压力下的岩石会产生电流，就像一块非常微弱的电池。该理论认为，当岩石受到压力时，其氧原子会释放电子，留下物理学家描述为正孔的缺陷。来自附近其他原子的电子移动到这些孔中，留下更多的孔，从而产生移动电荷的连锁反应。
美国宇航局和 SETI 研究所的研究员 Friedemann Freund 发现了这种现象，他说，这些孔“有能力在很长的距离上移动——数英里、数十英里、数百英里”。“这就像消防线中的一桶水。它从一个人传递到另一个人。”
Freund 说，这些孔随后在岩石中漫游，最终到达地球表面，在那里它们会从空气中的分子中吸引带负电的电子，就像磁铁吸引铁屑一样。然后，电荷会传播到高层大气。这种机制只是一种理论，因为它很难直接测量，但它似乎与地震后看到的电子团的迹象相符。但没有人清楚地看到在地震之前发生这种效应。
为了他的研究，Heki 引入了一种新方法，该方法使用复杂的 GPS 卫星网络，当无线电信号弯曲穿过大气层时，该网络可以检测到大气电子的细微变化。日本拥有特别密集的 GPS 接收器网络，这使得 Heki 能够发现东北震中上方高空中的细微电子激增，大约在地面地震仪检测到任何运动前 40 分钟。
但这位地球物理学家说，他不愿意展示他的发现。“我不得不担心如何发表它，”他说。“地震预测有些特殊。每个人都会变得非常激动。”
事实上，他并没有立即发表。在东北地震之后，Heki 回顾了两次可以获得详细 GPS 数据的巨型地震。在每一次地震中，他都发现电子浓度在 30 多分钟前明显升高。似乎地震震级越大，提前时间越长。2014 年智利发生的 8.2 级地震提前了 25 分钟，而 9.0 级东北地震提前了 40 分钟。因此，这些信号不仅暗示断层即将滑动；它们还表明了随后地震的相对规模。“我从未见过如此清晰的现象发生在地震之前，”他说。
混乱的辩论
有了这些数据，Heki 最终在 2011 年 9 月发表了一篇论文，公布了他的发现。其他科学家很快开始指出问题。有些人说，结果来自对数据的误读，地震期间和地震后的扰动混淆了视线。Heki 通过使用不同的分析方法来突出地震前的影响来回应。他还将以一定角度进行的测量转换为鸟瞰图，认为这将使效果更容易被发现。但批评者认为这只是重新组织相同的有缺陷的数据。另一个日本团队表示，这种效应是由地磁暴引起的。Heki 进行了另一项分析，以解释风暴效应，发现风暴无法解释他看到的所有变化。
很快，一些怀疑论者开始同意他的观点。“这是迄今为止报道过的最好的前兆，”中谷正雄说，他说在 1990 年代的失败之后，他不再相信地震预测。但 Heki 重燃了他的信心，以至于他现在说这项工作很可能成为“地震科学史上最重要的发现”。美国宇航局的 Song 不那么夸张，但也同意电子云一直很难解释为错误，并且似乎预示着真实事件。Freund 说，东北地震发生前几个月，压力不断累积，电子密度也发生了变化。尽管这种压力可能找到了其他出口——例如看不见的“沉默”地震——但带电粒子的释放仍然是一种可预测的现象，理论上可以在其他地震中检测到。
然而，批评者坚持认为 Heki 在计算机中看到的是现实世界中不存在的东西。“他试图在没有提供有效支持的情况下证实他的最初想法，”意大利国家地球物理和火山学研究所的 Fabrizio Masci 说。他发表了论文，不仅驳斥了 Heki，还驳斥了其他地震预测的想法，并表示 Heki 的回应是“分散读者注意力的一种巧妙方式”。许多批评都集中在 Heki 对基线电子水平的解读上。微小的粒子渗透到我们的星球，并且像天气一样波动。Heki 说，就在地震发生前，电子的聚集程度略高于平均水平。批评者说，这种变化是由电子的日常潮起潮落引起的。换句话说，Heki 可能正在追逐一个统计幽灵。
Masci 甚至更进一步说，如果地震本身从根本上是混沌的，那么地震前兆可能是无法实现的。如果事件的初始条件没有精确确定，就不可能知道结果将如何发展。对于地震，要确定所有初始条件非常困难。
巴黎地球物理研究所的 Giovanni Occhipinti 并没有那么悲观，尽管他同意充分理解所有起作用的因素——岩石类型、压力、附近的断层——以便你可以做出预测，这是一个令人畏惧的问题。Occhipinti 和 Heki 一样，研究地震如何影响大气离子。他说，鉴于大气中的离子是多么混乱，你根本无法从所有噪声中提取信号。这就像试图根据一天前的一片云来预测飓风。“问题是，有大量的云正在来来往往，”他说。“要推断出一种方法来区分你想要看到的特定云作为前兆，这并不简单。”
直到最近，Occhipinti 还站在怀疑论者一边，并认为 Heki 的发现仅仅是一个统计上的小故障。然而，Heki 最新的工作考虑了效应发生的复杂 3D 空间，这引起了他的兴趣。与有限的卫星快照不同，3D 建模显示了指向异常现象背后一致物理过程的多维效应，使得它们很难被视为幽灵而一笔勾销。Occhipinti 希望看到更多的 3D 分析，以及将这些结果与其他模型进行比较，以了解它们的拟合程度。因此，他目前还不是一个完全的信徒。但他称这个想法“有趣”，并且现在正在更仔细地研究它。“这正在推动科学向前发展，”Occhipinti 说，“但你必须非常非常非常精确。你是在玩弄人们的生命。”
拉响警报
这些生命的数字可以达到数十万。美国地质调查局审查了 2000 年开始的 16 年期间全球地震死亡人数。死亡人数会波动，因为并非每年都会发生巨型地震。但伤亡人数令人望而生畏。在其中七年中，死亡人数超过 20,000 人，另外两年，死亡总人数超过 200,000 人。在受灾最严重的国家，人们渴望获得任何形式的预警，即使只有几秒钟。以地球上最致命和研究最充分的地震带之一墨西哥城为例。在 1985 年造成多达 10,000 人死亡的毁灭性地震之后，政府利用地震波在该地区传播异常长的距离这一事实，建立了一个监测系统，如果远距离检测到地震波，该系统可以提供几分钟的预警。
墨西哥国家灾害预防中心地球物理工程师兼主任 Carlos Valdés 说，40 分钟的预警听起来不错，但现实并非如此简单。首先，误报会破坏任何紧急响应。例如，一些墨西哥地震引发了警报，但震级太小或位置不正确，实际上无法震动这座城市。人们变得恼火，不再对这些警报做出反应。但他更担心相反的问题：恐慌。“有人会说，‘我有 40 分钟，我要离开这座城市’，”他说。“只需要一个人开始尖叫或开始奔跑，所有人都会跟随。”道路拥堵，没有人能安全脱身[参见“这条路出去”]。
尽管如此，其他应急规划人员指出，即使是短暂的预警时间也创造了关闭燃气管道或停止地铁的机会，从而降低了风险。更高的准确性将解决误报问题。英国和俄罗斯科学家已经提出了一颗卫星，可以更好地跟踪大气异常，例如 Heki 研究的那些异常，而中国正在推进一项基于空间的预测计划，该计划依赖于电离层中的电磁扰动。但鉴于电离层的复杂性质，加上地震的混乱性质，可能需要几十年才能将大气数据转化为实际的地震预警。
Geller 认为那一天永远不会到来。“过去 130 年来的前兆猎人有一种孩子般的信念，即一，一定存在前兆，二，地震越大，前兆一定越大。但没有特别的理由证明这些信念是正确的，”他说。
尽管如此，Heki 仍在向前迈进。他最近发表了一篇论文，详细分析了 2015 年智利地震的前兆，他说这可能会使他的想法更难被驳斥。他还试图填补电荷和实际地震位置之间的一些数据空白。目标是更好地了解地壳中是什么产生了高空效应。“电离层中在地震之前存在一些东西。我不知道物理机制，”Heki 说，“但观测本身非常清晰。”