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【腦洞】一根針以光速撞擊地球,地球會發生什麼,是毫無反應還是消失?
2023/02/09

根據現有的歷史資料的記載,地球上每隔幾萬年就有大型撞擊事件發生,在美國、阿根廷、印度和澳洲都分別留下了數千年甚至數萬年以前隕石撞擊地球所留下來的巨坑,當然除了這些被發現的、形狀巨大且顯著的撞擊痕跡,還有更多我們沒有被記錄的小型撞擊,其中的大多數都隨著地表的各種侵蝕作用逐漸消失不見了。

這些神秘的深淵巨坑總是會引起人們無數的遐想,比如下一次大型撞擊會是什麼時候呢?它會帶來哪些后果呢?

說到這里,一些有趣的問題會出現在人們的腦海當中,比如,如果是一根針從遙遠的宇宙空間朝著地球的方向發射而來,結果又會如何呢?你可能覺得一根針實在殺傷力太小了,那如果這根針是以光速前進呢?

動質量與靜質量

要想嚴肅地解決一個科學問題,首先要將它放在合理的場景當中,所以關于一根針以光速撞擊地球會發生什麼的問題,必須首先厘清一些關鍵:比如,一根針是否可以實現以光速撞擊地球?答案當然是不能。

在愛因斯坦的相對論中,有這樣兩個概念,分別是動質量和靜質量。為什麼會做這樣的區分呢?因為按照這位物理學大師的理論,時空是相對的,而物體的質量與時空中的作用力、重力等等都是相關聯的,要想將某一個物體的質量確定下來,必須要選取一個相對穩定的時空環境。

所謂的靜質量,指的就是一個物體在相對某一個時空環境處于穩定靜止狀態時的質量,相反,動質量就是物體在運動的時空環境下計算出來的質量。

那麼靜質量和動質量之間有沒有聯系呢,愛因斯坦的相對論中提出了這二者之間的轉化公式,m=m0/根號(1-v*v/(c*c)),其中m是靜質量,m0是動質量,v是速度,c是光速常數。

物理學認為,一個物體在高速運動時,一定會持續地產生加速度,加速度所增加的重力和阻力相互抵消,在這種情況,物體周圍的時空環境可以被認為是相對穩定的,因此物體的靜質量保持不變。

而如果要在這種情況計算一個光速運動的物體的動質量,結果是一個目前的實數所無法描述的數值,這時再回到動靜質量轉化的公式,我們會發現這種情況是無法適用的,

也就是說如果一個物體在特定時空中存在靜質量,那麼它一定也有動質量,但這個動質量的速度量不能大于等于光速,因為這種情況會導致無法倒推出物體的靜質量,換句話說,在物理學上,這種情況不可能存在,擁有靜質量的針無法實現以光速在時空中運行。

理想狀態下的針

當然如果僅僅把這個問題本身作為一個趣味性問題來看的話,我們可以直接從公式上直觀地去看到,在一個假設的時空環境中,一根針以光速撞擊地球會發生什麼。

以最常見的縫衣針的質量來進行計算,當它以光速射向地球時,產生的動能大概是1.64×10^14 焦耳,這個能量有多大呢?

想象一下一噸TNT的威力,然后把這個威力乘以4,或者回憶一下核彈的殺傷力,然后把這個殺傷力乘以2,大概就是這根理想中的縫衣針以光速撞擊地球能產生的沖擊力。當然,這只是理想狀態下的估計,因為這樣一根針是不存在的。

稍微有點常識的朋友都知道,大氣層會和高速下墜的物體產生摩擦,速度越快,摩擦反應就越強。縫衣針是鐵制品,其主要的物理構成是鐵分子,當這些元素以光速進入大氣層時,空氣中的氧元素、氦元素會立刻與它們發生聚變反應,并爆發出巨大的熱量堆,結果是,還沒等這根針進入平流層,它就已經被熱量堆烘成了等離子沖擊波,在半空中爆炸并消失。

結語

綜上所述,如果以嚴謹的科學態度來對待這個問題,那麼這個問題本身的科學性是經不起考驗的,如果只是用來滿足一下求知欲和好奇心的話,可以直接忽略各種條件的合理性,在動能計算的公式中得到你想要的答案。

但是細心的朋友可能發現了,我們在嚴肅對待這個問題的時候,其實基本上都是借助愛因斯坦的相對論來完成推論的,也就是說,如果沒有他的理論成果,要想得到這個問題的答案可能真的不容易。

比如一不小心就會陷入恐慌,將宗教重新推上神壇等等,要知道,物理科學雖然被認為是一門理性、嚴謹、精確的學問,但是它同時也不比任何一門科學離神學更遠,否則偉大的牛頓在陷入思維困境時,又為什麼會將最終的解釋權交給神呢?

不管怎麼樣,愛因斯坦的學說對現代物理的意義仍然在不斷得到驗證,這位大師的成果相信在很長一段時間內,仍然會繼續扮演著世界物理研究基石的角色。

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