你在地球上挖了一個貫穿中心的隧道。你站在隧道一端，想去地球另一邊。問題來了：是直接跳下去穿越地球更快，還是乘坐火箭繞行軌道更快？

別急著說這是做夢！物理學就喜歡這種"假如"的腦洞大開。而且，答案可能會顛覆你的想象...

高斯定律：重力場的終極秘密

首先，我們得搞清楚地球內部的重力是什么鬼。大部分人只知道地表重力加速度是9.8牛頓/千克，至于地下的情況？恐怕連你高中物理老師都說不清楚。

地球表面的重力場可以用這個公式表示：

g = (G * M) / r2

這里G是萬有引力常數（6.67×10?11牛·米2/千克2），M是地球質量（5.972×102?千克），r是到地心的距離。驗算一下就知道，在地球表面（r = 6.378×10?米）重力場強度確實約為9.8牛/千克。

但問題來了：當你接近地心時，重力場是多少？難道會無限增大？還是變為零？這時候就需要請出物理學界的大佬——高斯定律！

高斯定律對于重力場是這樣說的：

∮g·n?dA = -4πG·M_in

這個公式看起來嚇人，但本質很簡單：穿過某個封閉曲面的重力場通量，等于曲面內部總質量乘以一個常數。

我不會像大學教授那樣廢話連篇地講解曲面積分（誰受得了那種折磨？）。重點是：利用球對稱性，我們可以輕松找出地球內部任何位置的重力場！

秘密揭曉：地球內部的重力場

假設地球密度均勻（雖然實際上不是），那么地球內部距離中心r處的重力場為：

g = (G * M * r) / R3

這個結果告訴我們幾件有趣的事：

1. 地心處重力為零！沒錯，如果你站在地球中心，你會體驗到失重狀態
2. 地球內部重力與距離成正比，不是平方反比
3. 在地表處(r=R)，兩個公式給出相同結果

用Python隨機分布5000個質點模擬地球，計算結果也驗證了這一點！

穿越地球：一場簡諧運動的狂歡

現在回到原問題。如果你跳入這個貫穿地球的隧道，運動方程是：

m·d2x/dt2 = -(G·M·m·x) / R3

這是什么？沒錯，就是簡諧運動方程！解出來是：

x(t) = A·cos(ωt) + B·sin(ωt)

其中ω = √(G·M/R3)

這意味著你會像彈簧上的物體一樣在隧道里來回振動！從一端到另一端需要的時間是π/ω。

繞行還是穿越：結局反轉

再看看另一種方案——在地表軌道上飛行到地球另一側。

對于圓周運動，向心加速度必須由重力提供：

m·ω2·R = (G·M·m) / R2

解出ω：

ω = √(G·M/R3)

驚呆了吧？這與穿越地球的ω完全相同！

這意味著什么？無論是穿越還是繞行，到達地球另一端所需的時間竟然完全一樣！兩種方式都需要大約42分鐘！

當然，這個結論有個前提：地球密度均勻。實際上地球密度從核心到地表是遞減的。如果考慮真實密度分布，結果會不一樣。

用Python模擬非均勻密度的地球，我們可以看到穿越地球和繞行地球到達另一側的時間差異。這才是更接近現實的答案。

這個看似荒謬的問題揭示了物理學的精妙之處：通過假設和理論模型，我們可以探索無法直接實驗的現象。

從高斯定律到簡諧運動，從計算機模擬到理論推導，我們看到了物理學如何用數學語言描述宇宙的運行規律。雖然我們無法真正挖穿地球（別傻了，地核溫度高達5500°C，比太陽表面還熱！），但思想實驗讓我們領略了自然界的神奇法則。

注：本文所有模型均基于理想假設。實際地球內部結構復雜多變，密度分布不均，核心處于極高溫度和壓力狀態，任何真實的"穿越地球"計劃都將面臨難以克服的工程挑戰。但這不妨礙我們在思想實驗中探索物理規律的美妙之處。