【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?

薛定諤的貓 2021/08/01 檢舉 我要評論
 

哇!真的第一次見哎,知識不會,衹是姿勢不對;科學凡此種種,用人話講才能聽懂

文/天空之城團隊

 

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?

 

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