打一條地球隧道可好?_風聞
观察者网用户_244575-2021-02-02 10:08
作者、美編:吳泱
校對:賀柏翔,校對組
後期:庫特莉亞芙卡 李子琦 徐⑨坤 胡永葳
責任編輯:毛明遠
“您要知道,阿根廷畢竟是在地球上與中國相距最遠的一個國家,你們正在地球的對面。”趙文佳微笑着説,從沈淵的手中拿過那個全透明的地球儀,在上面,中國和阿根廷隔着那個超透明的球體重疊在一起。
“其實我有個辦法能夠使兩國更好地交流,”沈華北拿過地球儀説,“只需從中國挖一條通過地心貫穿地球的隧道就行了。”
——《地球大炮》劉慈欣 節選
凡爾納《地心遊記》出版以來,人們一直對地下世界有強烈的好奇心,想象有朝一日能前往地心。“地球隧道”這一奇妙的幻想由此誕生。
在此後,科幻作品中頻頻出現地球隧道:《全面回憶》中的一條地心“墜道”連接着“英帝國”和澳大利亞,每天,都有在澳洲生活的人坐着“地鐵”穿越地心,僅需40分鐘即可抵達英國;劉慈欣的《地球大炮》更進一步,將地球隧道改造成了一個向宇宙發射航天器的“大炮”。我們一起來了解一下“地球隧道”的神奇之處吧!

地球隧道
Credit: FunInCode
便捷的交通
首先,地球隧道最大的不同之處,就是突破了地面路線的限制,用直線連接兩個地點。初速度為0,從隧道的一端自由下落到另一端,不考慮空氣阻力,理論上僅需42分鐘。
相對於傳統運輸,地球隧道運輸沒有了地面摩擦力的阻攔,進入隧道的物體做自由落體運動,在這個過程中,重力起絕對的支配作用。不考慮空氣阻力,隧道中的運動是無需額外動力,僅重力做功即可。
但實際上,空氣阻力的影響不可忽略,如果物體動能有損失,物體將會做振幅衰減的“往復振動”,直到動能耗盡,停在地心處。大劉的《地球大炮》中,為了避免這一問題,隧道內部要儘量保持真空,人需穿防護服進入。一來是供氧,二來是為了抵禦地心的高温(注:小説設定,雖然隧道壁絕熱性好,但是靠近地心部分的隧道內部仍有2000攝氏度)。

(上)《全面回憶》中The Fall穿越地心時進入重力翻轉狀態的劇照。
(下)“墜道”內景。
Credit:電影《全面回憶》
物體受重力牽引自由下落,全程處於失重狀態。隨着物體靠近地心,距離變短,加速度越來越小。經過地心後,重力變換方向,物體做減速運動,且減速程度越來越大。
速度隨距離變化的節點
(摘自《地球大炮》)
向上滑動閲覽
您現在已到達100公里深度,速度1.4公里/秒,
您已經穿過莫霍不連續面,由地殼進入地幔。
您現在已到達300公里深度,速度2.4公里/秒,
已進入地幔黏性物質區。
您現在已到達1500公里深度,速度5.1公里/秒,
已進入地幔剛性物質區。
您現在已到達2800公里深度,速度6.5公里/秒,
您正在穿過古騰堡不連續面,進入地核。
您現在已到達4100公里深度,速度米7.5公里/秒,
正處於液態地核中部。
您現在已到達5400公里深度,速度米7.7公里/秒,
正在接近固態地核。
您現在已到達6300公里深度,速度8公里/秒,
正在穿過地心!
您已通過地心,現在正在上升,並開始減速。
您已經上升了500公里,速度7.8公里/秒,
仍在固態地核中。
您現在已從地心上升了2200公里,速度7.5公里/秒,
已重新進入地核的液態部分。
您現在已從地心上升了3500公里,速度6.5公里/秒,
正在穿過古騰堡不連續面,重新進入地幔。
您現在已從地心上升了4800公里,速度5.1公里/秒,
正在穿過地幔的剛性物質區。
您現在已從地心上升了6000公里,速度2.4公里/秒,
正在穿過地幔的黏性物質區。
您現在已從地心上升了6200公里,速度1.4公里/秒,
已經穿過莫霍不連續面,進入地殼。
注意,您正在接近地球隧道的南極頂點!

地球內部的圈層結構簡圖
Credit:Georg Heinrich Smiäss
隧道的結構?
《地球大炮》的背景故事中,地球隧道服務於中國的“南極庭院計劃”,穿過地心,由中國的漠河穿過地球到達南極大陸的最東端南極半島。在未來的世界,能源枯竭,土地資源不足,經過激烈的政治鬥爭,人類達成共識,決定共同開發南極,在此之前銷燬所有核武器。
科學家在銷燬核武器的過程中,開發了利用小型核爆炸製造“新固態”材料的“糖衣”技術,這種“新固態”材料具有超高密度,可以在堅硬的岩石、灼熱的岩漿中不斷下沉,也正是利用這種材料,人們打通了“地球隧道”,構築了地球隧道牢固的外殼。這種“新固態”材料甚至替代了鋼鐵的地位,成為了未來社會的“材料之王”。
在小説中,地球隧道並不是一條直線,也沒有通過真正的地心,而是一條精心設計過的平滑曲線,與地軸成一定角度。這樣在隧道內運動的物體正好可以無摩擦地通過,不會與隧道壁發生碰撞。
理論上,如果修直線隧道,只有貫通南北極才可以保證物體與隧道壁無碰撞、無摩擦地通過,如果在其他地區強行打下直線隧道,由於這條直線繞自轉軸轉動,直線上的點的圓周運動線速度處處不相等,物體將在隧道內部彈來彈去,損失大量動能。
隧道里每隔1公里設置一個井圈,主角被扔進地球隧道以後,看到井圈閃爍着幽藍的光芒,起先還能分辨,後來隨着速度加快,藍色的光輝連成一片。地心前後的井圈發出紅色的光芒,以第一宇宙速度穿過這發着紅光的地心隧道,“彷彿漂行在地球的血管中”。經過地心以後,開始減速,藍色光圈也逐漸變得清晰可辨,最後到隧道的另一端,速度變為0。
●危險!
理想和現實總有差距。地心列車開始運營後,發生了慘絕人寰的“螺栓失落”災難。一名工人在漠河站檢修時,不慎將一顆直徑不足10釐米的螺栓掉入隧道。這枚螺栓是用能夠吸收電磁波的材料製造的,因此沒有被安全監測系統的雷達檢測到。
螺栓在隧道中一直墜落,穿過地球到達南極站,接着向回墜落,在到達地心時擊中了一列正在向南極上升的地心列車。螺栓與列車的相對速度高達16km/s,像一顆炸彈,穿透頭兩節車廂,把沿路的一切都汽化了,包括列車上的乘客。爆炸產生的大量碎片在隧道中來回運行,使得線路被迫中斷,三千餘名乘客全部死亡。人們用了一個月時間才把隧道中的碎片清理乾淨。
雖然通過地球隧道的運輸方便快捷,但由於建設工程的巨大投資,地心列車的運輸費用極其昂貴,抵消了它的長處。地球隧道的建設對全球環境造成了永久的破壞;人類的南極夢破滅了,蜂擁而來的工業和過度的開發毀掉了這個地球上僅存的潔淨世界。很快,聯合國所有的成員國再次達成共識,人類全面撤出南極大陸。隨着向南極運輸需求的驟減,在螺栓失落災難後,地心列車完全停止了運營,地球隧道被封閉。
●隧道→大炮
在地球隧道廢棄後三十年內,全球環境進一步惡化,污染和臭氧層破壞使各大陸最後的植被迅速消失,可呼吸的空氣已成了商品……為拯救地球的生態,人類想把地球上的重工業轉移到太空或月球。然而,此時採取任何消耗大量能源的方法都會造成反效果。這時,人們的視線又回到了廢棄已久的地球隧道上。
人們利用一種新型的導電性優良的“新固態”材料製成粗導線,纏繞在後半段地球隧道外表面。從地核中採集豐富的電流,將它們彙集到隧道線圈上,使隧道中充滿了強磁場,再給物體上的超導線圈加電流,產生的安培力驅動物體不斷加速,到隧道的南極口以15km/s的高速射出。雖然穿過大氣,衰減一部分速度,但被加速物體的終速度仍能高於逃逸速度。
就這樣,將“地球隧道”改造成“地球大炮”,即向宇宙發送各種物體的巨型電磁炮。

線圈型電磁炮的模型圖
圖源嗶哩嗶哩up主:習雪小半月
“地球大炮的炮管中每時每刻都同時運行着五六顆‘炮彈’,這樣它每過八到十分鐘就射出一艘太空船,所以現在進入太空就如乘地鐵一樣便捷。在二十年前工業大遷移開始時,是發射最頻繁的時期,炮管中往往同時有二十多顆‘炮彈’在加速,地球大炮以兩三分鐘一發的頻率向太空急促地射擊,一批批太空船組成了上升的流星雨,那是人類向命運的莊嚴挑戰,真是壯觀!”
●想想還是算了
地球隧道或許永遠只是一個空想,因為向地下的鑽探技術太難、成本太高,建設隧道所用到的材料很難研發,沒必要付出如此巨大的代價。
上世紀70年代,前蘇聯組織了一批科學家,在科拉進行鑽探地球的活動,並取名為“地球望遠鏡計劃”。
鑽探剛開始時,地殼層表面的土壤較為鬆軟,挖掘工作非常簡單,技術含量並不高,進展較快。但問題很快出現:花費好幾個月打的孔,竟然是歪的。在修正這個問題後,人們又遇到了第二個難題,隨着鑽探加深,地質越來越硬,鑽頭很容易壞掉。一來一回地更換鑽頭的時間,要遠遠高於鑽頭工作的時間。
當鑽孔足夠深時,人們發現地底下的温度達到了將近400攝氏度,壓強也比地球表面要強。高温高壓下,鑽頭損壞的頻率更高了,科學家們只好大量進口耐高温高壓鑽頭,但依然不能降低損壞的概率。鑽孔最終的深度停留在12262米,遠遠沒有達到計劃的深度。1992年,俄羅斯政府決定停止鑽探,因為該項目投入資金巨大,而回報非常少,國家無力負擔。

科拉超深鑽孔工程的外觀
Credit:Andre Belozeroff

廢棄後的科拉超深鑽孔“井口”外觀照片。網絡上流傳的科拉鑽孔的圖片大多數是鑽石礦井的圖片假冒的。實際上科拉鑽孔很小,比人的身體寬度還小一些,沒有鑽孔內部的圖片。在1995年鑽孔項目停止後,鑽孔封閉,建築廢棄,後來項目建築被徹底摧毀。
Credit:網絡
地球深部的物質並不是固態的,而是岩漿一般的熔融狀物質,即使我們發明了耐高温鑽頭,鑽透地殼之後,熔融物也會像水一樣隨時補充進來。更可怕的是,由於壓強較大,熔融物會滲入地殼的薄弱處,形成火山噴發,如果沒有合適的技術阻攔熔融物的自發噴出,那鑽透地殼的後果是不堪設想的。
●小結
劉慈欣擅長將工業化過程和科學技術塑造成某種強大的力量,其作品中洋溢着英雄主義的情懷。大劉的小説似乎一直傳達了這種古典科幻精神,即眼前的得失、個人的得失小於長遠的利益;也許眼前的災難,正是以後造福人類的先決條件。
正如《地球大炮》中,沈華北所説:“長城和金字塔都是完全失敗的超級工程,前者沒能擋住北方騎馬民族的入侵,後者也沒能使其中的法老木乃伊復活,但時間使這些都無關緊要,只有凝結於其上的人類精神永遠光彩照人!”
參考資料:
[1]嗶哩嗶哩專欄cv665277 作者:FunInCode
[2]劉慈欣:《地球大炮》
(百度小説鏈接:http://dushu.baidu.com/pc/detail?gid=4355213364)
[3]搜狐用户:鍾銘聊科學:《人類可不可以鑽透地球?蘇聯用了24年實驗最終得出結論》
[4]Youtube視頻:www.youtube.com/watch?v=ZczwzVhai9E
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美國宇航局泰坦飛行器(Titan Drone)概念圖。它將被送上土衞六(泰坦)進行探測任務,但是發射已經推遲到2027年。
Image Credit: NASA