能否在地球上挖個無底洞？挖穿地球後要如何才能穿過？

在美國的鄉村可以找到各種各樣的景點，其中最普遍存在的景點是「無底洞」，這在現實中通常只能往下幾十米後實際上就觸底了。儘管經常出現古怪的說法，但經過仔細檢查，這些只不過是城市傳說或惡作劇。確實有很多深洞存在，但沒有一個是真正的無底洞。實際上，即使是最深的也從未穿透過地殼下方。為了獲得更深層的東西，必須運用我們的想像力！

猛獁洞提供了一個看似無底洞的壯觀景色，事實上它的深度只有幾十米。圖片：Public domain

博科園-科學科普：對於一個真正的無底洞，我們必須假裝有一個圓柱形的軸一直向下延伸，越過地殼，地幔，內外核心，一直到地球的中心，然後就可以到達地球的另外一邊，想像一下把地球無限縮小成籃球那麼大的一個球形麵包，你用一根比較長的筷子，向著球心處對穿這個麵包的感覺一樣，但真實的情況能這樣嗎？顯然，不是的！

地球地圖與地球對應的類似反射地圖。如果要在地球中心直接鑽一個洞，這些相互重疊的地圖會顯示你將從另一側出來的位置。圖片：Wikimedia commons user Cmglee

如果你直接穿過地球中心並從另一側出來，那麼當前位置的相應點被稱為對應點。這需要很多想像力，因為當向地球中心移動時，溫度和壓力開始變得異常高漲。地球的外核變得液態和熔化，內核具有高放射性，溫度超過4000°F（2200°C）。這是非常熱的，幾乎可以熔化，煮沸或升華幾乎任何已知的材料。

碳納米管和石墨烯等納米材料不僅從科學或工業角度來看都很有趣，它們有時也可以形成漂亮的結構，在電子顯微鏡下可以看到一個迷人的納米世界。展現出的結構各約為千分之一毫米，由數千個納米顆粒組成。圖片：Michael De Volder / Cambridge

因此需要建造一個東西可以穩定人在圓柱形軸直接通過地球中心。石墨烯是一種特殊形式的碳結合，可能是一個很好的候選者，因為它甚至比鑽石更難破碎。石墨烯可以以碳納米管的形式產生，碳納米管本身在內部是空心的。這可以建造，不僅可以排列無底洞的牆壁，但如果可以充分冷卻它們，將能夠阻擋地球的內部層。通過石墨烯納米管（如液氦）泵送和循環超冷液體可能就可以了。

菲利克斯鮑姆加特納設定了人類倖存下來的自由落體距離世界紀錄是36公里。從端到端穿越地球需要數百倍的旅程。圖片：anon-y-moose of Democratic Underground / E. Siegel

如果可以在整個地球上創造一個穩定的隧道，將能創造一個真正的無底洞。通過這個洞的旅程將使世界上最高的跳傘看起來像一個微不足道的拋硬幣。雖然菲利克斯鮑姆加特納可能已經行駛了36公里，但是通過一個無底洞的旅程將帶你超過12000公里，從地球的一側到另一側。只有如果像跳傘一樣跳，無論是否有降落傘，都不會在旅程中走得太遠，當然條件都具備了，剩下的就看你有沒有膽量了？

當一個圓盤、圓柱體或球體旋轉時，整個物體具有相同的角速度，但在距離中心旋轉軸的不同距離處具有不同的線速度（因此速度不同）。如果向中心移動，則必須降低速度，否則將無法保持相同的角速度。圖片：Pborys / Wikimedia Commons

在地球表面附近，當行星旋轉時，大氣隨著人和地球表面一起移動，每小時約1000公里，根據所在緯度而變化。這對於大多數正常應用來說並不是什麼大問題，但是當開始遠離地殼的表面並深入到內部時，你會發現，在水平方向上移動速度太快了。整個地球以相同的角速度旋轉，但就像在轉盤上旋轉的記錄一樣，內部部件的線速度低於外部部件，這意味著有人從地球上掉落將不可避免地進入側面。在發現你已經撞到圓柱形管的牆壁之前（這只是一個時間問題）因為地球仍在旋轉（內部旋轉比表面更慢 ）你跳下。但是如果你聰明的話，會有一個解決方法。

地球在其軸上旋轉，給出了一條通過地球端到端的優選「線」，在所有高度和深度處地球自轉的角速度和線速度均為零。圖片：Dna-webmaster of Wikimedia Commons; Earth image by NASA

直接沿地球的旋轉軸建立軸，從北極穿過地球中心一直到南極。現在差速旋轉沒有效果，沒有科里奧利力，並且只要圓柱形管保持不變——沒有任何東西阻止擁有一個真實的無底洞！這樣跳進無底洞 會發生什麼？

跳傘運動員Lauren Wilkerson在伊利諾伊州羅斯蒙特的iFly室內跳傘設施練習風洞飛行。只有在空氣（或其他介質）存在的情況下，阻力才能抵消重力。沒有它，有人會繼續朝著地球的中心加速，直到到達它為止。（Scott Olson / Getty Images）

當空氣衝過來時會開始向下加速。很快大約7秒鐘後，終點速度達到每小時140到210英里，這取決於手臂和腿的位置。當繼續沿軸向下時，這個速度實際上會略微增加一段時間，因為地球的內層比外層更密集。但隨後引力將變弱，因為地球的大部分質量都在你之外，而不是在你之下。同時，填充軸的空氣密度將變得更大，這意味著將大大減速。

由於空氣阻力，墜落將需要很長時間：大約20到24小時到達地球中心。這是一個長約4000英里（或6400公里）的漫長旅程。當到達中心時將以每小時30英里（或48公里/小時）的微小速度移動，這取決於豎井中的空氣密度，只會超過真正的引力中心不到一英里。再過幾分鐘會發現自己被重力困在了地球中心。

也許在地球上運行電纜會讓那些本來會被困在行星中心的人爬出去？這將是一個漫長的旅程。圖片：Colin Bowern / flickr

對於任何人進無底洞的人來說，這是一個令人沮喪但不可避免的命運。但是，可以再做一次修改來解決這個地球物理難題。不要將東西扔進穿過地球兩極的充氣井中：要用真空代替。如果可以從這個從桿到極穿過地球的無底洞裡面排出100％的空氣，其速度的唯一限制是由萬有引力定義的，這是物理學家可以用難以置信的方式計算出來的。

當你從一個連接地球表面和中心的洞中墜落時，只要洞內沒有任何介質阻止運動，就會繼續加速更快，直到達到地球中心的最大速度。

首先，你永遠不會達到終極速度。無論什麼墜落將繼續加速，在地球中心達到最大速度超過11000米/秒，大約40000公里/小時或25000英里每小時。通過無氣井到達地球中心的旅程只需要大約22分鐘，根據不同層的密度存在一些不確定性。此外由於沒有空氣阻力，因此不會損失能量。

沿著地球的旋轉軸線鑽出並撤離的軸將意味著在45分鐘內可以單程行駛，而往返則需要大約90分鐘。圖片：Mats Halldin of Wikimedia Commons; modifications by E. Siegel

一旦你以驚人的速度穿過地球中心，當你逐漸遠離地球的核心並穿過各個外層時會減速。移動速度也會隨著移動而改變，這取決於當前距離地球中心所定義球體所包圍的總質量，以及該距離（平方）本身。只是因為南極海拔約2800米（超過9000英尺），在你停下來之前幾乎無法看到日光，然後從你來的那裡回來了相同的旅程。所以你要往返，穿過地幔，外核和內核的各個層，穿過地球的中心，然後再回到北極。從你第一次進入北極時大約一個半小時後，會重新出現在你開始的同一個位置。

如果你通過真正的無底坑洞入北極，90分鐘後會在同一點重新出現。如果有人為你留下一把鏟子，當你重新出現時就能抓住它。圖片：coljay72 / CC-BY-SA-3.0

在上文所提到的所有理想的條件下：從北極到靠近南極再到北極的往返旅程，穿越地球的中心，只需要不到90分鐘的時間，大致與國際空間站繞地球軌道運行的時間相同。只要你帶上氧氣供應，就不會因為這種情況而變得更糟糕。還要記住讓自己與地球內部的放射性和溫度變化保持隔離！

看完本文，你是否想說一句：就算有穿越地心的地球對穿洞（無底洞），要想通過這個洞到地球的另一邊可真不容易！現實情況來看就是不可能實現這些理想條件的，至少目前的科技水平和能力是不可能做到這些理想條件，那麼所有想挖這個無底洞人的夢想，也只能停在理想條件下去實現了。

博科園-科學科普｜文：Ethan Siegel/Forbes Science/S.W.A.B

博科園-傳遞宇宙科學之美

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