文/姚斌
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杰弗里·韦斯特在《规模》中解释数量级时指出，如果一个物体的边长增长至原来10倍，且保持形状或构成成分不变，它的面积 ( 及强度 ) 就会增长至原来的100倍，它的体积 ( 及重量 ) 就会增长至原来的1000倍。与之相类似的连续的10次幂被称为数量级，通常以简化的10¹、10²、10³等来表示，其中10右上角的小数字又被称为“指数”，它代表1后面跟着0的个数。因此，如果10⁶，那就是1 000 000的简写，或称6个数量级，因为它是1后面跟了6个0。
地震中的“里氏震级”就是一个数量级的概念。发明里氏震级的伟大的地震学家就是查尔斯·里克特，这个震级是以他的姓来命名的。《里氏震级》是里克特的第一本传记。根据苏珊·霍夫在《里氏震级》一书的描述，里克特出生于1900年，早年进入南加州大学，后转入斯坦福大学，并于1920年毕业；1928年在加州理工学院获得理论物理学博士学位。1927年，里克特进入加州理工学院新创建的地震学实验室，开始了他的地震学研究生涯，直到1985年去世。
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在地震学中，查尔斯·里克特和贝诺·古登堡的名字经常交织在一起。古登堡在1930年就是世界上最受尊敬的地震学家之一。他来自德国，于1930年到达美国并进入加州理工学院。古登堡被称为“百事通”，具有无以伦比的智慧，不仅发表过数百篇学术论文，还出版了7本书。他精确测定过地核深度，为人类指明了地球深处的许多特性。
古登堡的研究对象通常集中在地震学上所谓的远震数据上：这些信息来自穿越整个地球的大震波浪，一旦它们抵达遥远的彼岸，振幅就低得让人感觉不到，但对某些类型的地震仪来说，该波浪却震耳欲聋。古登堡对最初的震级标准做出了不可磨灭的贡献，然而此震级尺度却仅仅刻上一个人的名字，并没有赋予“里克特-古登堡震级”。
古登堡和里克特还做过另一项开创性贡献，涉及地震发生的总体性统计规律，这就是所谓的“古登堡-里克特震级分布”，有时也简称G-R分布。该理论针对某特定区域的发震规模，揭示了其总体可预测性模式或分布情况。简而言之，G-R分布告诉人们，在地球任何地区，4级地震的发生次数为5级地震的10倍，5级地震的发生次数又是6级的10倍，以此类推，只有当地震上升到不可能发生的级别时，上述简单规则才会被打破，而这种不可能性源自很少或没有足够大断层能够导致如此大级别。
G-R分布貌似简单规则，但却取决于如下事实：地震整体分布的计算规律从来不会针对单一断层，而涉及包含断层组合的区域。鉴于全球每23年就会发生一次8级以上的大震，因此人们预计，每几十年就会出现一次9级以上的更大灾害，每几个月就会发生一次大于7级的震动。对南加州而言，每23年就会发生一次6级或更大的地震，以此推算，每几十年就会有一次7级以上的天灾，而每年都将看到若干次5级或更大的地震。虽然灾难不会像钟表那样准时发生，但上述计算可以成功预测不同级别的地震次数。显然，从普遍意义上讲，这些地震必将袭击某一特定地区。因此，在考虑到一些公认的复杂性之后，G-R分布仍是现代地震灾害评估的核心理论，对预测特定地区在特定时间段内的震级水平或危险性非常重要。
古登堡和里克特合作撰写过4篇论文，被地球物理学家莱昂·诺波夫称之为“不朽的成就”，其中详细描述了地震波的性质，这些内容有助于全面掌握地震波的各种类型。他们努力发展一种“统一震级标准”，其包含了最初设想的“里氏震级”和后来的改良版，可用于确定量级迥异的地震，不但适用远震，也涵盖近震。古登堡的专业知识和组织能力为里克特提供了能量，使其能够驾驭自己的学术战车。
里克特善于发掘复杂的数据，能够迅速领悟数据背后的潜在价值。里克特拥有一套最独特的才能和癖好，使其成为地震仪和地震学之间的关键桥梁。而古登堡的研究目标早先几乎完全集中在地球深层构造方面，后来在里克特研究兴趣的感染下，才把注意力转向了不同规模的地震问题。
衡量学术贡献持久性的标准是所谓的引文指数，也就是，一篇论文与随后研究成果中被引用的次数。在作为第一作者或唯一作者的文章中，古登堡被引用次数最多的是其在1944年与里克特合作完成的那篇。古登堡自己的论文没有一篇像里克特1935年的文章那样被高度引用，而该文恰恰就是对震级的最初表述。更重要的是，没有一篇由任何一个人或两个人合作撰写的论文接近里克特里程碑式的教科书《初等地震学》所达到的被引用数量。虽然《全球地震活动性》这本百科全书式的经典著作由古登堡和里克特合著，但里克特的大量手笔痕迹非常明显。
在地震学界，古登堡的光环可能更加耀眼，但毫无疑问，里克特亦无比灿烂。在古登堡的光环下，里克特不仅找到了对手，而且找到了自己无法唤醒的动力。正如里克特本人所说的。古登保带给他不仅有光明，还有其他东西。
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里氏震级诞生于1935年。但事实上，里克特早在1932年就用此标准来确定南加州地震的大小，而1933年长滩地震则是他最早研究的大震之一。此外，该震级也并非是在1935年提出的，更准确地说，描述里氏震级的文章是在这一年发表的。1935年1月，在《美国地震学会公报》中，一篇名为《一类重要的地震等级》的论文占据了前31页。正是依照对南加州地震数据的大量分析，里克特才构思出他的震级标准。
这篇论文已经远远超出了里氏震级本身呈现给人们的价值，因为其中包含一张不同等级地震的频率表，而这正是后来被称为“古登堡-里克特震级分布关系式”的基础。注意到大震发生频率比小震低得多，但也大得多，所以里克特在论文中得到如下结论：“从量能角度来看，虽然小震发生频率高，但对能量的贡献却仅占非常少的一小部分，以至于小震不会明显减轻大地震释放的应变，当然，我们必须视前者为应变积累过程中的小事件和大震征兆。”
“地震”这个词早就存在，但直到20世纪初科学家才理解产生震动的过程。最早的地震定量几乎不可避免地基于震后特定地点的摇晃程度。19世纪末，在科学舞台上出现了烈度表。意大利地震学家米凯拉德·罗西和瑞士科学家弗朗索瓦·福勒分别于1874年和1881年独立发表了罗西-福勒烈度表，共包括10个强度等级，从几乎感觉不到的微震造成灾难性破坏的大震。其后，意大利地震学家朱塞佩·麦卡利进一步发展了强度等级，他将罗西·福勒烈度表扩大到12度。经过麦德维杰夫（M）、施蓬霍伊尔（S）和卡尔尼克（K）组成的科学小组再次修改该标准，形成了MSK烈度表。这个烈度表至今仍在欧洲广泛使用。
震级是对地震固有规模的衡量。在该学科中，这种评估指标的重要性比烈度更具普遍意义。烈度指标代表了丰富的潜在数据来源，几乎是地震学家调查19世纪末地震仪发明前重要地震的唯一出处，但当人们不能区分摇晃程度和地震大小时，就不可避免地产生混淆。震级以阿拉伯数字表示，而烈度以罗马字母表示。如果说“洛杉矶北岭地震为10级，而不是6.7级”，那就混淆了烈度和震级这两个不同的概念，因为任何地震的震级都是其本身的固有特征，而烈度分布却将跨越多个数值。
里氏震级是以某一类型地震仪所记录的峰值振动和扭动幅度为基础的。用来计算震级的测量值并不代表地面的实际运动或速度，地震仪会以某种相当复杂的方式剧烈放大实际运动。里氏震级的意义不在于从物理学角度确定地震释放能量的实际值，而在于用一种标准地震仪上记录所有地震，并以合理方式反映它们的相对大小。震级不像烈度那样按照1~10的比例进行分配，相反，它们是根据伍德·安德森地震仪上最大振幅计算出的数值。当然，任何地震波信号的幅值大小取决于震源距离测量设备的远近。所以，震级标定方案必须涉及证据校正。
里克特意识到使用震级定档方案必须具备易于表示的数值大小。缩小数字范围是制定震级标准的关键步骤。然而，最大和最小震级之间的范围却似乎大得难以管理。古登堡建议里克特采用对数方式定义地震波幅值。对数是一种高效工具，可以将范围非常大的数字压缩到较小区域。在数学的神奇世界里，对数是数学名词，也是一种方法。对于任意给定数字而言，最简单的对数形式就是10的因数：10的对数是1，100的对数是2，1000的对数是3，以此类推。但就那时的大众而言，对数并不容易理解。
对数将一个大范围的数字折叠成小得多的范围。比如，4级地震释放能量是3级规模的30倍，5级地震则为后者的1000倍。相邻震级之间的能量差为30倍而非10倍。从一个震级单位到下一个震级单位，虽然峰值振幅增加了10倍，但持续时间和其他振动特性也随着震级的增大而变化，所以每上升一个台阶，能量就会增加10倍以上。里克里一针见血地指出，震级很重要，因为一次地震可能会比另一次地震大得吓人。这位学者后来写道：“即使从一开始就认识到这一点，但当1932年尤里卡地震以6级规模忽然而至时，我还是大吃一惊。”加州北部发生了这次相对不明显的地震，让里克特第一次意识到，地狱般的景象会有多惨烈。
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里克特注意到，许多人误以为他提出的标准是基于10级的，也就是，一个以10为最大震级的数字范围，而事实上里氏震级没有上限，至于10级似乎代表着地震规模的上限，完全出乎偶然因素。在此，校准的关键考量因素并非来自震级的高端，而是来自低处。于是，里克特对震级的定义进行了微调，他让0级成为可以被地震仪探测到的最小程度。鉴于其标准与对数有关，从理论上讲，负数震级也是有可能的，因为如果一个数小于1，那么其对数便为负。不过，通常这种微震只在特殊环境中才会被记录下来，比如借助极其敏感的地震仪并将其安放于地球嘈杂表面下的钻孔内，便会得到一个负数震级的地动信号。
人们能够普遍接受里氏震级得出的数字：2.5~3级代表轻微感觉的地震，6级就会造成轻中度破坏，这取决于该地区建筑结构的脆弱性。从里克特1935年的论文中，我们找到了1932年袭击内华达州的灾难数据，也是其分析过的最大地震，对此，他的估算值为7.5级。另外，他还根据各种证据推测，1906年旧金山大地震至少为7.0级，也可能超过8.0级。
里克特明白，像1906年这样的灾难是特别大且相对罕见的事件，因此他没有明确震级上限，而仅仅作出调整，以便产生出一个易于解释的震级数字，仅就地球最大地震的合理估计而言，虽然是这个数值或许只是巧合，但里克特对其震级标准信心满满，自认为最大地震不可能超过10级。如此一来，里氏震级从0~10的标度就显得非常科学且自然，并便于大众接受。
迄今为止，由仪器记录到的最严重的地震是1960年的智利大地震，震级高达9.5。在人类历史上，1505年印度大地震或许才是最严重自然灾害的候选者，然而由于没有相关的波形数据，所有19世纪末以前的灾害级别对我们都相当于永恒的秘密。
现在，我们已经知道了震级数值具有众所周知的含义：6级是一个温和但有潜在破坏性的冲击；8级是加州标志性的、令人恐惧的大地震；我们担心10级地震为最终的末日事件。最后值得强调的是，这些数字所具有的含义是查尔斯·里克特赋予的，也正是他，把“震级”这个词引入了地震学。但是，最早提出“震级”这个术语并非里克特，而是里克特的同事哈里·伍德，然而选择采用这个术语的则是里克特本人。
里克特十分着迷于天文学。在天文学中的英文“星等（ magnitude ）”与震级是同一个词，而前者常常被用来划分恒星亮度，最亮的恒星被赋予最小的星等值。在此，里克特颠覆了天文学的星的概念，在将该词变为震级的同时，也把大小顺序进行了倒置。里克特认为，虽然震级与天文学中的新的概念排序相反，但却实属无奈，因为没有更好的术语和符号能够代表震级大小。
不过，最早提出“里氏震级”这个术语的并非里克特本人，而是加州大学伯克利分校的地震学家佩里·拜尔利。他于1966年首次在公开场合提出“里氏震级”这个词。从那以后，“里氏震级”就诞生了。最终，“里氏震级”这个名字为查尔斯·里克特赢得了一种持久的不朽地位。
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杰弗里·韦斯特在《规模》中写道，里氏震级其实测量的是地震在地震仪上所记录的地震波幅度。其相应释放的能量的数量则与这一地震波幅度呈非线性比例关系，所测量到的地震波幅度每增长至原来的一个数量级倍数，其所释放的能量便增长至原来的1.5个数量级的倍数。这意味着地震波幅度上两个数量级的区别，即两个里氏震级的差别，相当于释放能量3个数量级的差别，而1个地震波幅度数量级的差别则相当于释放能量差别了1 000的平方根，即31.6。
地震所带来的巨大能量可以理解为，引爆1磅 ( 或0.5千克 ) TNT炸药所释放的能量大致相当于里氏1级地震所释放的能量；里氏3级地震所释放的能量则相当于约1 000磅 ( 或约500千克 ) TNT炸药所释放的能量，规模差不多相当于1995年俄克拉何马城爆炸释放的能量；里氏5.7级地震相当于5 000吨TNT炸药；里氏6.7级地震 ( 北岭地震和福岛地震 ) 相当于17万吨TNT炸药；里氏7.7级地震 ( 2010年苏门答腊地震 ) 相当于约540万吨TNT炸药；里氏8.7级地震 ( 2005年苏门答腊地震 ) 相当于1.7亿吨TNT炸药。迄今有记录的震级最大的一次地震是1960年的智利瓦尔迪维亚大地震，震级达到了里氏9.5级，相当于23亿吨TNT炸药爆炸释放的能量，几乎是北岭地震或福岛地震的1 000倍。
如果做一对比，1945年被投到广岛的原子弹释放的能量相当于大约1.5万吨TNT炸药爆炸释放的能量。一颗氢弹所释放的能量通常为原子弹的1 000倍，等同于里氏8级地震，如果我们意识到1.7亿吨TNT炸药爆炸，即2005年苏门答腊地震的规模，能够为拥有1 500万人口的城市提供一整年的燃料，我们就知道这些是多么巨大的能量了。
今天，我们把“古登堡-里克特震级分布”又称为“古登堡-里克特定律”。其最简洁的表述就是，小地震屡见不鲜，但大地震很罕见。地震的震级多有不同，但震级越高，就越罕见。震级每增加一个单位，相对的能量就增加30倍。2级地震比1级地震强30倍，3级地震又比2级地震强30倍 (也就是比1级地震强900倍 ) ，以此类推。地震能量每增加一倍，相应震级的地震发生概率就会降低3/4倍，最终会得到一个从小规模地震到大规模地震分布的滑坡曲线。物理学家称这种关系为“幂律”，因为这种分布是用指数方程或幂来描述的。
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由地震学产生的这个“幂定律”是一个十分有力的定律。而今，我们将其视为50个最伟大的思想之一。因为计算机的文件大小、生物中的物种数、战争的规模、论文的被引次数、网页的被点击次数、生物灭绝事件的规模、太阳耀斑的程度、股票价格的波动、强者恒强弱者恒弱、富者愈富贫者愈贫等等，无一例外都遵循着幂律分布，这是复杂适应系统的一个重要特征。