在你脚下约3219英里深处，是地球的另一颗月亮。这个固体球体大小如同一颗卫星，在液态外核中独立于地球旋转，转速也不同。它掌握着理解地球早期历史甚至地球生命起源的线索。三百年来，关于地心是一个纯铁组成的均质球体的假说几乎没有新进展。但过去十年左右，地球物理学家利用新数据和实验室模拟，开始对其进行测绘和分析。每年，根据地震证据都能辨别出更多特征。科学家们对所有信息的含义尚未达成共识，但有一点越来越清晰：地球的中心远比任何人先前想象的要复杂和不寻常。
华盛顿大学的地球物理学家肯·克雷格说：“如果内核只是一个没有特征的球体，那研究不会有什么进展。但你越是深入观察，看到的细节就越多。复杂性为起源和演化提供了线索。现在我们看到，地核极其复杂。它在告诉我们地球是如何运作的。”
内核的构成受到极高压力的影响：大约每平方英寸5200万磅，是地球大气压的350万倍。尽管温度高达11000华氏度，这种压力仍使内核保持固态。地震数据显示，从上方地幔和地壳传来的声波，在穿过熔融的外核时速度会减慢。一些波会从更深的内核表面反弹；另一些则快速穿过内核。
通过精确测量这些地震波到达远处地震仪的时间，地球物理学家们获得了意想不到的信息。例如，加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋研究所的石井美纪推测，内核中存在异常结构，包括其正中心的一个小“种子”。科学家们还在地核的其他地方检测到了独特的结晶区，并且——很有可能——一个不断生长的外表面，可能包含浅丘和山谷。这些表面特征可能是铁结晶过程的结果，并可能向外生长，很像雪花的形成方式。
一个不断膨胀、分层的内核概念，将极大地有助于阐明早期地球的历史。它将有助于解释内核最初是如何形成的，并有助于说明地球深处蕴藏的巨大热量。地质学家认为，大约45亿年前，地球曾被一颗火星大小的小行星撞击。这次撞击产生的热量足以熔化地球大部分的岩石；岩石中较重的铁下沉到中心，并从那时起不断散发热量。无论如何，理论是这样说的。正如古生物学家通过研究化石和地层来推断古代事件一样，地球物理学家也相信内核包含了固体的“化石”证据——不同结晶和化学成分的区域——这些证据揭示了地球是如何发展的。
更好地理解地球内核的结构，将有助于阐明其在将地球磁场锁定在南北方向上的作用，这相当于保护了地球生命免受致命的宇宙射线轰击。将所有这些令人费解的碎片拼凑起来并不容易。“因为我们无法直接接触地核，所以我们模拟那里发生情况的能力是有限的，”加州理工学院的行星科学家大卫·史蒂文森说。“这个问题类似于模拟地球的大气或海洋：太复杂了。我们知道每个行星都是独一无二的；我们知道金星、火星和月球没有磁场。那么地球有什么不同呢？它们是如何变成那样，而我们又是如何变成这样的呢？”
地核地球物理学家承认，他们就像16世纪的探险家，只能绘制出大陆的外部形状，但对内部的地形知之甚少。正如克雷格所说：“地核是一个充满可能性，但鲜有定论的地方。”
尽管如此，克雷格和他的同事们相信，科学可以在未来十年内解开地核的许多谜团。研究人员已在全球范围内部署了数千个地震仪，还有更多正在部署中。通过监听地震波，这些仪器将提供更精确的地核测量数据。例如，美国国家科学基金会正投资超过1亿美元建立USArray，一个由400个相互连接的地震仪组成的全国性网络，部分用于创建更详细的内核地图。与此同时，对地核深处物理过程的实验室模拟也在日益完善。也许不久之后，我们的“内在月亮”将像外在的月亮一样为我们所熟悉，而它在地球宇宙演化轨迹中的作用也将真相大白。
月球
年龄：约45亿年 直径：2160英里 自转速率：每27.3天一次 密度：每立方英尺208.5磅 质量：81 x 10¹⁸吨 特征：43英里厚的外壳；788英里厚的地幔；248英里宽的富铁核心 活动：构造上已死亡。没有活跃的液态核心，月球没有造山运动，没有火山，也没有磁场
地球中心
年龄：约45亿年 直径：1510英里 自转速率：每23.89小时一次——比地球快0.2%。每1800年，内核比地球多转一圈 密度：811.6磅
每立方英尺
质量：1.07 x 10²⁰吨 特征：大量直径3至6英里的结晶物质团块，以及数百英里厚的分层证据，可能还有一个直径360英里的最内核（由铁构成） 活动：外核的对流产生了发电机过程——一个天然的发电机。这种地球动力学作用创造了地球的保护性磁场。
芝加哥大学的地球物理学家布鲁斯·巴菲特研究地球内部。
45亿年前的小行星撞击能解释地球核心的什么问题？
巴菲特：这与我们所知的相符。当时有很多火星大小的天体在四处漂浮。发生碰撞的可能性很大。整个地球都会被熔化；铁会下沉，硅酸盐会浮上来。这至少可以部分解释地核的热量来源。它也可以解释地球的基本结构。
最近我们对地核的理解
有什么变化？
巴菲特：我们过去认为地核是各向同性的——即内部完全均匀。但现在有证据表明，其中冻结着大规模和极小规模的结构。它不是同质的，而是复杂的、各向异性的。这些结构可能是早期时代的“化石”。地核中存在某种我们还不了解的使晶体排列的机制。可能在宏观和微观层面上有不同的过程在发生。理解地核的各向异性结构可能会告诉我们它是如何生长的——以及这种生长是否会结束。
如果它正在生长呢？
巴菲特：阿尔伯特·爱因斯坦曾说，物理学中最大的未解之谜之一，就是详细理解地球磁场的起源。我们知道它来自熔融外核的对流。但如果能量来自于内核的生长——当重力将重铁拉下，而较轻的物质在外核中上升时——为什么在地球磁场存在的数十亿年里，地核没有完全凝固呢？
技术如何帮助您？
巴菲特：这是一个艰难的观测游戏。我们正在开发能够模拟内核的计算机模型，但它们现在还很粗糙。在实验室里，我们使用金刚石压砧来创造高压和高温，以研究地核中物质的效应。铁在高压下会发生什么？不过，我们还无法达到内核的条件，所以我们只能对结果进行推断。
去年的苏门答腊大地震
为您提供了数据吗？
巴菲特：目前还没有。在研究地核时，你需要在地震对面设置地震台站，收集直接穿过地心的数据。太平洋里的地震仪并不多。
您是否因我们知之甚少而感到沮丧？
巴菲特：这更像是一个机遇，而不是烦恼。如果能把所有东西都整合起来就好了：地核的各向异性、能量问题、地核热源、地球的历史。地核就像一张蜘蛛网，连接着很多东西。但在地球物理学领域，很少有“尤里卡时刻”（顿悟时刻）。
