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【腦洞系列】如果一根針以光速撞擊地球,會發生什麼?地球消失還是毫無反應?
2021/09/19
2021/09/19
 

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

 

看到這個標題,想必不少人已經開始笑了, 這不是當年那個「雨掉下來為什麼砸不死人」的問題的翻版嗎?別說接近光速了,就是等于光速也不會怎麼樣,比如說太陽光照在人身上,除了變暖和之外什麼也發生不了。 但實際上,如果真的有根針能接近光速,那麼它爆發的威力,堪比原子彈爆炸。想理解這一點,我們需要先講一講動能的概念。

動能是一個運動物體所蘊含的能量,它的大小和兩個變數有關,也就是重量和速度,重量和速度越大,這個運動物體的動能就越高。我們來舉個例子,比如說一輛小轎車, 如果它以20公里每小時的速度撞到一個人,那麼這個人除了會感覺到疼之外,不會有什麼生命危險。但如果這輛車加速到了 60公里每小時,就足以把人撞成重傷或者死亡了

也就是說,在重量不變的情況下, 這個物體的速度越快威力就越大。這也就是為什麼只有幾克重的子彈彈頭,用火藥打出去就可以取人性命的原因。要知道,一顆普通子彈的速度也不過是亞音速,威力就有這麼大, 而一根接近光速的針,速度可是光速的882353倍,這個破壞力已經相當可觀了

也許你會疑惑,既然達到光速的東西動能非常大,為什麼光本身卻毫無殺傷力呢? 這是因為光子的靜質量其實是零,所以才沒有威力。而針雖然小,但擁有質量的它,蘊含的動能已經大到讓人咋舌的地步了。

我們可以親自計算一下,假設這根針的重量只有0.3克,速度達到了99%光速,代入計算公式,Ek=mv²/2可以得到這根針的動能為1.64×10^14 焦耳。這大概是個什麼概念呢?一噸TNT炸藥爆炸釋放的能量只有4.2×10^9焦耳,所以這根針爆發的能量相當于3.6萬噸TNT炸藥。當年的原子彈小男孩只相當于1.5萬噸TNT, 這根針已經相當于兩顆小型原子彈了

也許你會覺得這也沒有什麼,我們的地球有大氣層保護,這麼快的速度,一定在大氣層中被燒沒了,不會有什麼實際影響,那麼你大錯特錯。 不管這根針變成什麼樣子,這些動能都不會憑空消失

地球的大氣層非常厚實,按照最外面的逃逸層來算,厚度可以達到800公里。一般的流星速度較慢,到了大氣熱層才會開始燃燒,而這根針一開始接觸大氣,就已經開始劇烈反應了。在與大氣的碰撞中, 它會被高溫氣化成鐵離子,但是它依舊具有質量,所以動能並不會消失,反而散開形成一個離子團,在與空氣的碰撞中變成一股巨大的衝擊波轟向地球表面。

不過,在能量傳遞的過程中, 這些原子和離子會逐漸減速。我們也許能聽見縫衣針和大氣撞擊時產生的巨響,但對地面的我們來說還造不成什麼危害。只是相當于美國又在大氣層搞了一次核爆試驗,還沒有任何輻射殘留的擔憂。不過,這只是考慮了這根針的動能,其實如果真有東西可以這麼接近光速,它在和大氣的碰撞中,已經可以引起核聚變了!

毀天滅地的縫衣針

2010年11月9日, 科學家借助歐洲大型強子對撞機,把質子加速到了0.999999991倍光速,它們碰撞之後爆發的能量達到了驚人的10萬億度,是太陽核心溫度的100萬倍, 也相當于宇宙大爆炸後萬分之一秒時宇宙的溫度。

而這,已經是目前科學家加速有質量物體的極限了,如果說我們可以更加接近光速, 僅靠兩個質子的碰撞,我們就可以製造出一個量子級宇宙,甚至產生一個宇宙。如果這根縫衣針也能更加接近光速,產生的效果將被無限放大。前面我們討論的例子裡,縫衣針只有99%的光速,讓我們繼續加速看看會發生什麼。

假設縫衣針的速度達到了0.9999倍光速,那麼它的動能就相當于1.88×10^15焦耳,相當于45萬噸TNT爆炸的威力。這時人類可以在地面上看到非常壯觀的爆炸,衝擊波也能對地面產生一定的影響,但問題不大。當縫衣針達到0.99999999倍光速,能量就相當于1.9×10^17焦耳,約為4500萬噸TNT爆炸的威力, 這時人類最強氫彈,沙皇炸彈的爆炸威力

不過因為在大氣層引爆,所以除了會產生很強的衝擊波擾亂大氣之外,對我們還是沒有多少影響。但如果說小數點後面的9有14個,那麼產生的能量就已經相當于冷戰時期人類核武儲備的最高量,達到450億噸TNT,其爆炸的衝擊波足以讓上億人死亡。

等到小數點後面的9累加到20個,產生的能量達到了1.9×10^23焦耳,為450萬億噸TNT當量, 是當年滅絕恐龍的隕石的2倍,9成的人類可能在這場大爆炸中直接喪生,剩下的人只能在接下來的環境巨變中瑟瑟發抖。人類會不會就此滅絕小編不知道,但所謂的文明,已經在這場爆炸中被全部摧毀了。不過,這還不是縫衣針的極限,它的動能是一條指數函數,哪怕小數點後面多一個9,威力都會暴增。

當小數點後面的9累加到38個,產生的能量足以炸毀地球, 我們的母星會在爆炸中支離破碎,變成一條綿延數百萬公里的小行星帶。或許,再經過上億年的時間,這些小行星帶會在重力作用下重新聚合,再度變成一顆行星,但生命絕對早就不復存在了。只要在這個基礎上再加一個9, 爆炸的威力足夠讓地球的碎片散佈在整個太陽系之中,地球再也不復存在了。

當然,這還不是縫衣針的極限。我們繼續在小數點後面加9, 如果達到了62個9,這股能量就相當于太陽穩定燃燒100億年釋放的能量。如果有93個9,產生的能量就相當于整個銀河系所有的物質湮滅釋放的總能量。這還沒完,如果小數點後面的9增加到133個,產生的能量就相當于整個可觀測宇宙湮滅釋放的總能量。

這意味著,這根針爆炸,足以再造一次宇宙大爆炸。是的,沒聽錯,這根針已經可以創造出新的宇宙了。如果說這根針的速度達到了光速,那麼它的能量將是無窮大,很難想象由它創造的宇宙究竟是什麼樣子。還好, 根據愛因斯坦的相對論,光速是世界上的絕對速度,沒有什麼有質量的東西可以達到光速。把縫衣針加速到接近光速,所需要的能量也無限接近于無窮大,所以大家也不用擔心,真的會有這麼小的東西以接近光速的速度沖向地球。

一個有趣的事情是, 儘管這根縫衣針已經達到了毀天滅地的地步,但它還是無法貫穿地球,因為在接觸到空氣分子時,就已經發生聚變爆炸了

所以我們不妨把腦洞再開得大一點,想讓這根鋼針直接穿透地球,需要具備什麼樣的條件?

縫衣針怎麼才能穿透地球?

這個時候,我們就需要假設,這根鋼針像《三體》中描繪的「水滴」一樣,是一種無論怎麼破壞都無法傷它分毫的剛體。這樣, 我們就完全不用擔心它在與空氣碰撞時分解成等離子體了。但這時依舊有一個問題,就是動能的傳遞,縫衣針雖然可以完整地穿過大氣, 但是它的動能會在空氣阻力的作用下以極快的速度減弱

而傳遞出去的動能,也會形成足以摧毀地球的衝擊波。也就是說, 除非這根針能超過光速,要不然由它導致的衝擊波和聚變反應,總會先它一步轟擊地球,把地球炸碎。這麼說來,一根能創造宇宙的縫衣針,居然連地球都紮不破?是的,除非這根針的密度高到可怕,比如說達到中子星的密度。

中子星是目前宇宙中已知的,密度僅次于黑洞的星體。它是足夠大的恒星在晚年塌縮之後形成的天體,差一點就能變成黑洞,上面的物質每立方公分的重量都至少在1億噸以上。因為密度奇高,所以引力也大得可怕,所有原子中的電子,都被擠壓到了質子裡變成中子,讓所有元素的原子變得只剩下中子,所以才得名中子星。 從它身邊經過的光,都是呈抛物線逃離的

如果一根針的密度達到了中子星的水準,那麼它的質量起碼是普通縫衣針的1億倍,最初接觸它的空氣都會被這根針的重力捕獲,被巨大的引力壓成一層薄薄的液體覆蓋在縫衣針的表面。

這個時候, 哪怕這根由中子星構成的針做自由落體運動進入大氣,速度從零開始增加,產生的速度和動能,也足以把地球貫穿了。這個時候,因為縫衣針的速度是逐漸增大的,雖然在這個過程中也會產生衝擊波,但是在到達地表的時候,它積累的加速度,就已經接近光速,可以趕在衝擊波炸毀地球之前,先把它紮個對穿。

可以想見, 被一根針紮穿,對地球來說也是非常可怕的事情。因為隨著縫衣針的深入,地球的密度也是越來越高,阻力增大,縫衣針不得不釋放更多動能。于是,地球內部會累加足夠大的動能,直接從核心開始爆炸,連同姍姍來遲的大氣衝擊波一道,把地球炸成一片塵埃。

 

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