假如一根细细的缝衣针,在光速的狂飙之下冲向地球,那将会造成怎样的局面?
倘若我告诉你,一根针以光速刺穿地球,其轻巧程度如同穿针引线,给地球留下无数窟窿,你是否会相信?
光速本身无法触及,但逼近光速的速度在理论上是成立的。那么,今天我们就来细致地探讨一下,一根针以接近光速的速度飞驰,会具有怎样惊人的力量。
光速,是人类理解的宇宙极限速度,只适用于无静质量的光子。对于任何拥有静质量的物体而言,这是无法企及的。爱因斯坦在百年前便揭示了这一宇宙规律,尽管起初不乏质疑之声,但历经一个多世纪的观察、实验,尚未有人能推翻这一法则。
未来是否能突破这一限制,尚不得而知,但至少目前而言,这一速度壁垒得到了科学界的普遍认同。光速及其不变性构成了现代科学理论的基石,诸多物理定律与公式中,光速作为常数存在。
若光速理论发生变化,整个物理体系,乃至量子力学均需重新构建,甚至基于现代科学构建的文明亦会面临颠覆。
为何针无法达到光速?
原理称作质增效应,它是相对论力学的一部分,也即质速关系。理论表明,物体的惯性质量分为静质量与相对论质量(或称动质量),运动中的物体会经历质量增加的现象,这正是相对论效应之一。
在质速关系中,光子无静质量却拥有动质量,因此产生了光压。自然界中,除了光子,引力子也是以光速运动的无静质量物质,传播引力波的媒介。引力子尚未得到证实,但除此之外,尚未发现其他任何物质无静质量。
中微子曾被认为无静质量且速度为光速,但随后研究表明,其静质量虽小,但不为零,速度也仅接近光速。若有静质量的物体达到光速,质能将无限增大,意味着任何物质达到光速,其动质量均将超越宇宙总质量。因此,有静质量物体达到光速是一个悖论,若发生,宇宙将不复存在。
相对论指出,物体运动中的质量符合质速关系,其公式为:M=m/√[1-(v/c)^2],其中M为运动质量,m为静质量,v为物体速度,c为光速。
依据相对论,任何有静质量的物体均不能达到光速,而只能逼近光速。科学家利用大型加速器,将质子束加速至接近光速,速度可达光速的99.9999991%,创下世界纪录。
质子的质量有多小?约为1.6749286*10^-27kg,等同于约1675亿亿亿分之一公斤,一根针尖上可容纳30万亿亿个质子。在这样的速度与能量下,质子的力量相当于蚊子振翅。设想30万亿亿只蚊子振翅的威力,且这仅是光速的99.9999991%。
根据质速关系公式,物体速度为光速0.9999倍时,动质量为静质量的70倍;速度为光速0.99999999倍时,动质量为静质量的7071倍。之后每加两个9,动质量便增加一个数量级,即10倍。
那么,一根针接近光速时的质量如何?
根据质速关系公式,一根普通缝衣针约0.15g,当速度为光速0.99999999倍时,其动质量增长7071倍,超过1kg。虽质量看似微小,但足以在地球留下小洞。
然而,撞击能量并非如此计算。应使用撞击能量公式:E=1/2mv^2,其中E为撞击能量,m为撞击物体质量,v为速度。
据此,这根针撞击地球能量约为13.5万亿焦耳,相当于3222吨炸药威力。也就是说,这根针以接近光速撞击地球,足以造成巨大冲击,摧毁一座小城镇。
此设想须排除大气阻力,否则针会在大气层中爆炸,其威力同样不容小觑。
有人或许觉得,后果并非如此严重。但请注意,我们讨论的是一根针接近光速而非达到光速。随着速度的不断逼近光速,其动质能将呈指数增长。
若动质量随小数点后每加两个9而增加10倍,加100个9会如何?一根已达1kg动量的针,其动量将达到1*10^49kg,亿亿亿亿万吨级别。这等动量已远超太阳系,甚至银河系、本星系群、本超星系团亦无法幸免。
而这根针的速度仍未达到光速,仍可继续加速,动质量继续无限增大。即使摧毁了本超星系群,速度依旧无限接近光速,且可继续增加,即便加1000个9,仍是无限接近光速。
随着接近光速,这根针的动质量趋于无限大,将超过宇宙大爆炸奇点的力量。推动针加速所需的能量也将趋于无限大,最终超过宇宙总能量。
因此,一根针以光速撞击地球的情形,只会存在于悖论之中。有人可能对相对论持有怀疑态度,认为这只是理论推测。然而,只要稍加了解,便可得知相对论已在无数实验与观测中得到证实。
宇宙高能射线的速度与能量、动量均严格符合相对论质速关系公式;在大型强子对撞机中,质增效应也得到了验证;所有航空航天活动也必须遵循相对论质速关系,方能成功。
因此,关于一粒沙、一个鸡蛋、一根针以光速撞击地球的设想,皆不符合相对论原理,在现实中亦不会出现。通过上述计算,我们也看到了,一根针无需达到光速,仅需接近光速,便足以给地球与太阳系带来毁灭性的后果。