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【腦洞系列】一根針以光速撞擊地球會造成什麼後果?地球消失還是毫無反應?

宇宙中充斥著各式各樣的危險, 對於地球而言, 最直接的威脅就是小天體的撞擊。 在太陽系中存在著大量的對地球不懷好意的小天體, 稍不注意它們就可能會狠狠地向地球撞來。

我們都知道, 小天體撞擊地球的威力是非常巨大的, 例如在大約6600萬年前, 一顆小行星在撞擊地球后, 就直接將恐龍從地球上抹掉了, 為什麼它們會具有如此威力呢?答案就是它們的速度很快, 一般來講, 這些小天體速度都可以輕鬆地達到每秒鐘數萬米, 因此它們都具備了巨大的動能。

通過動能公式 Ek = 1/2 x mv^2(其中m代表質量, v代表速度)我們可以看到, 雖然質量和速度都會影響物體動能的大小, 但速度對動能的影響明顯要大得多。 這不禁讓人好奇, 假如一個質量很小的物體以極快的速度撞擊地球會怎麼樣呢?具體點講就是, 一根針以光速撞擊地球會造成什麼後果?下面我們就來討論一下。

光速是已知的, 一根針的質量我們可以將其設為0.2克, 根據上述的動能公式我們可以計算出, 這根針具備了大約9萬億焦耳(9 x 10^12J)的動能, 這看上去好像很厲害, 但實際上其威力卻遠遠不及一次核爆, 例如當年的「小男孩」核彈就釋放了大約63萬億焦耳(6.3 x 10^13J)的能量。

再說了, 地球還有大氣層的保護, 可以想象的是, 在這根以光速運動的針進入大氣層的一瞬間, 就會像流星一樣因為高溫而解體, 其具備的動能也就只能釋放在地球大氣層的頂端。 由此我們似乎可以推測出, 就算一根針以光速撞擊地球, 它也不會對地球造成什麼影響。

然而愛因斯坦的理論卻告訴我們, 上述的推測是錯誤的, 原因有二, 第一:凡是具有靜質量的物質都不可能被加速到光速, 最多只能無限地接近光速;第二:當一個物體的速度接近光速時, 其相對論質量就會變得非常大, 因此必須用相應的公式來進行計算這個物體的動能(如下圖所示, 其中m0為物體的靜質量, v為物體的速度, c為光速)。

從上面這個公式中我們可以看出, 當一個物體的速度在不斷地接近光速時, 其動能也會隨之指數級地增加。

需要指出的是, 該公式早已被科學家們觀測到的大量現象所證實, 最有意思的例子就是在1991年的時候, 猶他州大學的高分辨宇宙粒子探測器發現了一個速度極高的粒子(很可能是一個質子),

其速度達到了光速的99.99999999999999999999951%, 研究資料表明, 該粒子的能量高達30×10^20eV, 相當於一個以每小時100公里的速度飛行的棒球所具備的動能。

考慮到針是具有靜止質量的物體, 因此這根針的速度就只能無限地接近光速, 而不能以光速撞擊地球,於是我們就只能將問題修改為:一根針以無限接近光速的速度撞擊地球會造成什麼後果?

理論上講,這根針撞擊地球時的情況大致可以分為三種,第一是在大氣層中因為高溫而解體,其能量會釋放到大氣層中,而其中的一部分將直接擊中地球,第二是撞擊到地球表面,地球將承受其全部的能量,第三是直接穿過地球,地球也只承受一部分能量。

根據愛因斯坦給出的公式,我們可以清楚地看到,當一個物體的速度無限接近光速時,其動能也會隨之無限地增加,顯而易見的是,當這根針撞擊地球的時候,也就具備了無限的能量。因此可以說,不管是上述的哪一種情況,這根針都會將無限的能量釋放到地球上(因為無限的能量無論怎麼分都依然是無限),其後果就是地球在瞬間灰飛煙滅。

當然了,宇宙中是不可能存在所謂的「無限能量」的,因此這種情形只可能存在於我們的想象中。值得一提的是,地球的引力結合能大約為2.25 x 10^32焦耳,一旦地球承受的外來能量超過這個數值,組成地球的物質就會分崩離析,並且再也不會憑藉引力而凝聚起來,大家有興趣的話可以親自算一算,當這根針的速度達到多大時就可以具備這麼多的能量?

而不能以光速撞擊地球,於是我們就只能將問題修改為:一根針以無限接近光速的速度撞擊地球會造成什麼後果?

理論上講,這根針撞擊地球時的情況大致可以分為三種,第一是在大氣層中因為高溫而解體,其能量會釋放到大氣層中,而其中的一部分將直接擊中地球,第二是撞擊到地球表面,地球將承受其全部的能量,第三是直接穿過地球,地球也只承受一部分能量。

根據愛因斯坦給出的公式,我們可以清楚地看到,當一個物體的速度無限接近光速時,其動能也會隨之無限地增加,顯而易見的是,當這根針撞擊地球的時候,也就具備了無限的能量。因此可以說,不管是上述的哪一種情況,這根針都會將無限的能量釋放到地球上(因為無限的能量無論怎麼分都依然是無限),其後果就是地球在瞬間灰飛煙滅。

當然了,宇宙中是不可能存在所謂的「無限能量」的,因此這種情形只可能存在於我們的想象中。值得一提的是,地球的引力結合能大約為2.25 x 10^32焦耳,一旦地球承受的外來能量超過這個數值,組成地球的物質就會分崩離析,並且再也不會憑藉引力而凝聚起來,大家有興趣的話可以親自算一算,當這根針的速度達到多大時就可以具備這麼多的能量?

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