錢維宏 北京大學物理學院

在科學課上，我們總愛問些“天馬行空”的問題：星星為什么不會掉下來？月亮為什么一直跟著地球轉(zhuǎn)？還有一個特別經(jīng)典的腦洞題——如果能把地球打一個貫穿中心的洞，從這頭扔一個東西進去，它會運動到哪里去呢？

這個問題看起來很“不切實際”，卻藏著牛頓力學、引力定律這些重要的物理知識。以前，科學家們大多用牛頓的引力觀點來解釋這個問題；但現(xiàn)在，要是換成一種新的視角——正交碰撞理論下的膨脹力慣性世界觀，結(jié)果可能會和我們想象的完全不一樣哦！今天，我們就一起來拆解這個有趣的科學問題。

要搞懂這個問題，我們先從大家相對熟悉的牛頓引力世界觀開始。簡單說，牛頓認為，地球上的物體都會受到地球的“吸引力”，這個力就是我們常說的重力，比如蘋果會自由掉落到地上，就是因為重力的作用?；谶@個觀點，我們可以分“理想情況”和“現(xiàn)實情況”兩種場景，來分析物體在地球地洞中的運動。

一、牛頓引力世界觀：物體在地球地洞中的運動

首先要明確，這個問題的核心是“地球引力的分布”——地球內(nèi)部不同位置的引力大小和方向不同，物體的運動狀態(tài)也會跟著變化。我們先假設一個“完美的理想世界”，再回到真實的地球環(huán)境中分析。

1. 理想模型：沒有阻力、地球均勻、不自轉(zhuǎn)

我們先做幾個“大膽的假設”：第一，我們沿著地球的兩極連線打洞，這樣可以避開地球自轉(zhuǎn)帶來的影響；第二，地球內(nèi)部的物質(zhì)密度是均勻的，就像一個質(zhì)地均勻的大皮球；第三，洞壁非常光滑，里面沒有空氣，也就沒有任何阻力。在這種完美的條件下，我們把一個小球從北極的洞口扔進去，它的運動過程會非常有規(guī)律。

首先是下落階段：小球從北極的地表出發(fā)，會在地球引力的作用下，朝著地心的方向加速下落。這里有一個關鍵的知識點：當小球進入地球內(nèi)部后，并不是整個地球的質(zhì)量都在對它產(chǎn)生引力，只有“地心到小球所在位置”的這部分內(nèi)層物質(zhì)（可叫它“內(nèi)圈層”）會產(chǎn)生引力，而小球外面的外層物質(zhì)（叫它“外圈層”）對小球的引力會相互抵消，就像左邊有一個力拉它，右邊也有一個大小相同、方向相反的力拉它，最后這兩個力就“中和”了。

隨著小球不斷靠近地心，內(nèi)圈層的質(zhì)量會越來越小，它受到的引力也會越來越小。當小球剛好到達地心時，引力會變成0，而此時小球的速度會達到最大值——就像我們從斜坡上滑下來，越滑越快，到坡底時速度最快一樣。

這時候有同學可能會問：小球到了地心之后，會一直停在那里嗎？并不會！接下來就進入了上升階段：小球到達地心時，雖然引力消失了，但它會因為慣性繼續(xù)向另一端的洞口運動。這時候，引力的方向就變了——不再是“拉著小球向前”，而是“阻礙小球運動”，就像有人在后面拉著它一樣。隨著小球不斷遠離地心，受到的引力會越來越大，速度也會越來越慢。

最后會發(fā)生什么呢？當小球到達南極的洞口時，速度會剛好減為0。然后，在引力的作用下，它又會反過來朝著北極的方向下落。就這樣，小球會在南北兩極的洞口之間來回運動，循環(huán)往復，永遠不停。這種運動方式和我們常見的“彈簧振子”很像——比如我們按一下彈簧，彈簧會先收縮再伸長，來回振動，小球的運動就是這類“簡諧運動”。

科學家們還計算過，在這種理想模型下，小球從北極到南極的時間大約是42分鐘，一個來回就是84分鐘。這個時間和人造衛(wèi)星繞地球表面飛行一圈的時間剛好一樣，是不是很神奇？

2. 問題討論：新視角下的不同觀點

不過，隨著科學的發(fā)展，有一種新的看法被提了出來：在慣性力或膨脹力的世界觀下，剛才說的“外圈層物質(zhì)引力相互抵消”的觀點是不對的。也就是說，小球進入地球內(nèi)部后，外層物質(zhì)依然會對它產(chǎn)生引力，而且這些引力并不會被“中和”掉。

我們可以做一個簡單的假設：假設小球下落到了距離地心r的位置，這個距離剛好是地球半徑R的一半（也就是r=R/2），此時小球距離北極地面的距離也剛好是r。我們把地洞想象成一個“物質(zhì)柱子”，地心兩側(cè)這個柱子內(nèi)的內(nèi)層物質(zhì)質(zhì)量加起來是2M，這些質(zhì)量可以看作集中在地心點上，它們對小球的引力是F=2GmM/r2（這里的G是引力常數(shù)，m是小球質(zhì)量）。

除此之外，北極一側(cè)的外層物質(zhì)柱子質(zhì)量也是M，這些質(zhì)量可以看作集中在距離小球r/2的位置（靠近北極點的一側(cè)），對小球的引力是F（北極）=4GmM/r2；而地心另一側(cè)、靠近南極的外層物質(zhì)柱子質(zhì)量也是M，卻集中在距離小球2r+r/2的位置，對小球的引力是F（南極）=4GmM/25r2。很明顯，這兩個外層物質(zhì)的引力大小不一樣，后者是前者的二十五分之一，根本無法抵消。

按照牛頓引力理論，小球從北極向地心下落的過程中，內(nèi)層物質(zhì)的引力在逐漸減小，但外層物質(zhì)的總引力并不為0，這些引力會阻礙小球下落，讓它慢慢減速。所以，小球到達地心時，速度可能并不是最大值，反而有可能變成0。更重要的是，因為外層引力的阻礙，小球根本不可能像理想模型中那樣，依靠慣性到達另一端的洞口，更不會出現(xiàn)來回振動的簡諧運動。

還有一個更特殊的情況：如果我們把小球到達地心時，內(nèi)圈層質(zhì)量也取為m，相對地心的距離逼近0，這時候用牛頓引力公式計算會出現(xiàn)引力值趨于無窮大的結(jié)果——這就是科學家們所說的“數(shù)學奇點”。 而基于正交碰撞理論的推導，可突破這一局限，在 r→0 的極限條件下仍能得到有物理意義的明確解，不存在奇點問題。

3. 現(xiàn)實情況：無法實現(xiàn)的“穿墻術”

其實，不管是哪種觀點，“把地球打穿一個洞”本身就是一件不可能完成的事情。在現(xiàn)實中，這個洞根本無法打通，物體的運動也不會像我們剛才分析的那樣規(guī)律，主要有三個原因。

第一個原因是高溫高壓的阻礙。地球內(nèi)部就像一個“超級熔爐”，估計地心的溫度高達5500℃，比太陽表面的溫度還要高；壓強更是達到了地表大氣壓的300多萬倍。在這樣的環(huán)境下，任何已知的材料都會被融化或壓碎，根本無法支撐洞壁的穩(wěn)定——就算我們能打通一個洞，它也會瞬間被高溫高壓的物質(zhì)填滿。

第二個原因是地球自轉(zhuǎn)的影響。如果我們不沿著兩極打洞，而是沿著赤道或其他緯度打洞，地球自轉(zhuǎn)會產(chǎn)生一種“偏轉(zhuǎn)力”（科學家們叫它科里奧利力）。這種力會讓下落的小球不斷撞擊洞壁，最后可能會貼在洞壁上，根本無法到達地心。就算是沿著兩極打洞，地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)帶來的微小影響也無法完全忽略。

第三個原因是空氣阻力的消耗。就算我們能解決高溫高壓和自轉(zhuǎn)的問題，地洞里面也會有空氣，小球在下落和上升的過程中，會和空氣發(fā)生摩擦，產(chǎn)生阻力。這種阻力會不斷消耗小球的能量，讓它的運動幅度越來越小——最后，小球不會在兩極之間來回運動，而是會慢慢停下來。

4. 這個問題的“提問史”：從牛頓到現(xiàn)在

可能很多同學會覺得，這個問題是我們現(xiàn)代人的“腦洞”，其實不然。早在17世紀，牛頓提出萬有引力定律后，就有科學家開始討論這個問題了。對于小學生來說，這是一個充滿趣味的科學猜想；對于科學家來說，這個問題是研究引力、運動規(guī)律的重要“思維實驗”，愛因斯坦就喜歡這么做。

現(xiàn)在，這個問題還經(jīng)常出現(xiàn)在科學課、科普讀物中，甚至被寫進科幻小說和電影里。比如有些科幻故事中，人們通過“地心隧道”快速穿梭于地球兩端，雖然這只是科幻想象，但也體現(xiàn)了人們對這個科學問題的好奇。

二、正交碰撞理論：全新視角下的運動解釋

剛才我們講的都是基于牛頓引力世界觀的分析——牛頓認為，物體下落是因為地球在“吸引”它。但在正交碰撞理論下的膨脹力世界觀中，我們會用一種全新的視角來看待這個問題，解釋也完全不同。

首先，我們要了解一個重要的天文觀測事實：宇宙正在加速膨脹。正交碰撞理論認為，宇宙大爆炸后，產(chǎn)生了無數(shù)的新粒子和物質(zhì)，其中有一股粒子（物質(zhì)）的“目標”是以加速度的形式，朝著地球中心的方向匯聚。簡單說，不是地球在“吸引”物體（粒子），而是物體（粒子）本身就有朝著地心運動的趨勢，這種趨勢來自宇宙大爆炸時賦予粒子的“初始動力”。

我們可以用大家熟悉的“蘋果落地”來理解：在牛頓的觀點中，蘋果落地是因為地心的引力在“拉”蘋果；而在正交碰撞理論的膨脹力世界觀中，蘋果落地是因為構(gòu)成蘋果的每個粒子，本來就有朝著地心運動的“初心”，它在主動地向地心狂奔，這是一種“主動的運動趨勢”，而不是被地球“被動吸引”。

回到“打穿地球扔東西”的問題上：在這種全新的世界觀下，我們把小球扔進地洞，其實是在幫助小球“實現(xiàn)它的奮斗目標”——讓它更順利地朝著地心運動。為什么地心的溫度和壓強那么高呢？因為有無數(shù)的粒子從地球表面，朝著地心加速碰撞，這些粒子層層疊加，讓地心的密度、壓力和能量都變得極大。后來再從地球表面下落的粒子，只能疊加在地球的外層圈層，但它們的“目標”依然是地心，這就是“初心不改”。

這里還有一個關鍵知識點：我們在地球上觀測到的“重力”，其實是粒子奔向地心矢量力的兩個分量之和。簡單說，粒子朝著地心運動的矢量力可以分成兩個方向的分量：一個是垂直指向地心的力，這就是我們感受到的引力，本質(zhì)上是粒子徑向膨脹力；另一個是平行于地球表面的力，這就是地球自轉(zhuǎn)偏向力，本質(zhì)上是法向彎曲力（向心力）。如果是在地球兩極，粒子的運動方向剛好垂直于地表，就只需考慮引力一個分量。

那么，在這種視角下，小球扔進地洞后會怎么運動呢？答案很簡單：小球會一直朝著地心運動，直到到達地心。因為所有粒子的目標都是地心，而且不會出現(xiàn)牛頓引力世界觀中“地心奇點”的無解問題——粒子到達地心后，會和其他到來的粒子發(fā)生碰撞，能量密度增加，最終以高溫高壓的狀態(tài)停留在地心。

可能有同學會問：這兩種觀點到底哪個是對的？其實，牛頓的引力觀點和正交碰撞理論的膨脹力觀點，都是對同一現(xiàn)象的不同解釋。牛頓的數(shù)學公式依然可以用來計算日常生活中的物體運動問題，比如設計橋梁、發(fā)射衛(wèi)星等；而膨脹力觀點則更深入地解釋了“引力的本質(zhì)”，解決了牛頓和愛因斯坦一輩子都沒能解決的問題——比如“引力到底是怎么產(chǎn)生的”“大爆炸奇點”“地心奇點無解”等數(shù)學與物理結(jié)合的問題。

三、趣味拓展：從這個問題看科學思維的重要性

“打穿地球扔東西”這個看似天馬行空的問題，其實教會了我們很多重要的科學思維方式。首先是“理想模型法”——科學家們在研究復雜問題時，會先假設一個“完美的理想環(huán)境”，排除無關因素的干擾，再逐步加入現(xiàn)實條件，這樣才能把問題拆解得更清楚。比如我們先假設“沒有阻力、地球均勻、不自轉(zhuǎn)”，再考慮高溫高壓、自轉(zhuǎn)、空氣阻力等現(xiàn)實因素，就是這種思維的體現(xiàn)。

其次是“多角度思考”——同一個科學問題，可能有不同的解釋視角。牛頓的引力觀點和正交碰撞理論的膨脹力觀點，雖然解釋不同，但都有科學依據(jù)。這告訴我們，在學習科學的過程中，不要局限于一種思維方式，要學會從不同的角度看待問題和提升解釋問題的高度。

最后是“好奇心的力量”——很多偉大的科學發(fā)現(xiàn)，都源于對“腦洞問題”的好奇。牛頓因為好奇“蘋果為什么會落地”，提出了萬有引力定律；現(xiàn)在科學家們因為好奇“打穿地球扔東西會怎樣”，不斷探索新的物理理論。所以，保持好奇心，多問“為什么”，是學習科學的重要動力。

當然，我們也要明白，科學探索是一個不斷進步的過程?，F(xiàn)在我們對這個問題的解釋，可能在未來還會被新的理論完善。但正是這種“不斷質(zhì)疑、不斷探索”的精神，推動著科學一步步向前發(fā)展，也向真理逼近。

總結(jié)一下：如果能把地球打穿一個洞，在牛頓引力的理想模型中，物體會長久地在兩個洞口之間來回振動；但在現(xiàn)實中，因為高溫高壓、自轉(zhuǎn)、空氣阻力等因素，這個實驗根本無法實現(xiàn)；而在正交碰撞理論的視角下，物體只會朝著地心加速運動，最終與其他物體碰撞形成高能密度并停留在地心。這個有趣的問題，不僅讓我們了解了蘋果自由落地現(xiàn)象、運動的相關知識，更讓我們感受到了科學探索的樂趣。

內(nèi)容來自：錢維宏

文章來源：科普中國