宇宙中充斥着各式各样的危险,对于地球而言,最直接的威胁就是小天体的撞击。在太阳系中存在着大量的对地球不怀好意的小天体,稍不注意它们就可能会狠狠地向地球撞来。
我们都知道,小天体撞击地球的威力是非常巨大的,例如在大约6600万年前,一颗小行星在撞击地球后,就直接将恐龙从地球上抹掉了,为什么它们会具有如此威力呢?答案就是它们的速度很快,一般来讲,这些小天体速度都可以轻松地达到每秒钟数万米,因此它们都具备了巨大的动能。
通过动能公式 Ek = 1/2 x mv^2(其中m代表质量,v代表速度)我们可以看到,虽然质量和速度都会影响物体动能的大小,但速度对动能的影响明显要大得多。这不禁让人好奇,假如一个质量很小的物体以极快的速度撞击地球会怎么样呢?具体点讲就是,一根针以光速撞击地球会造成什么后果?下面我们就来讨论一下。
光速是已知的,一根针的质量我们可以将其设为0.2克,根据上述的动能公式我们可以计算出,这根针具备了大约9万亿焦耳(9 x 10^12J)的动能,这看上去好像很厉害,但实际上其威力却远远不及一次核爆,例如当年的“小男孩”核弹就释放了大约63万亿焦耳(6.3 x 10^13J)的能量。
再说了,地球还有大气层的保护,可以想象的是,在这根以光速运动的针进入大气层的一瞬间,就会像流星一样因为高温而解体,其具备的动能也就只能释放在地球大气层的顶端。由此我们似乎可以推测出,就算一根针以光速撞击地球,它也不会对地球造成什么影响。
然而爱因斯坦的理论却告诉我们,上述的推测是错误的,原因有二,第一:凡是具有静质量的物质都不可能被加速到光速,最多只能无限地接近光速;第二:当一个物体的速度接近光速时,其相对论质量就会变得非常大,因此必须用相应的公式来进行计算这个物体的动能(如下图所示,其中m0为物体的静质量,v为物体的速度,c为光速)。
从上面这个公式中我们可以看出,当一个物体的速度在不断地接近光速时,其动能也会随之指数级地增加。
需要指出的是,该公式早已被科学家们观测到的大量现象所证实,最有意思的例子就是在1991年的时候,犹他州大学的高分辨宇宙粒子探测器发现了一个速度极高的粒子(很可能是一个质子),其速度达到了光速的99.99999999999999999999951%,研究数据表明,该粒子的能量高达30×10^20eV,相当于一个以每小时100公里的速度飞行的棒球所具备的动能。
考虑到针是具有静止质量的物体,因此这根针的速度就只能无限地接近光速,而不能以光速撞击地球,于是我们就只能将问题修改为:一根针以无限接近光速的速度撞击地球会造成什么后果?
理论上讲,这根针撞击地球时的情况大致可以分为三种,第一是在大气层中因为高温而解体,其能量会释放到大气层中,而其中的一部分将直接击中地球,第二是撞击到地球表面,地球将承受其全部的能量,第三是直接穿过地球,地球也只承受一部分能量。
根据爱因斯坦给出的公式,我们可以清楚地看到,当一个物体的速度无限接近光速时,其动能也会随之无限地增加,显而易见的是,当这根针撞击地球的时候,也就具备了无限的能量。因此可以说,不管是上述的哪一种情况,这根针都会将无限的能量释放到地球上(因为无限的能量无论怎么分都依然是无限),其后果就是地球在瞬间灰飞烟灭。
当然了,宇宙中是不可能存在所谓的“无限能量”的,因此这种情形只可能存在于我们的想象中。值得一提的是,地球的引力结合能大约为2.25 x 10^32焦耳,一旦地球承受的外来能量超过这个数值,组成地球的物质就会分崩离析,并且再也不会凭借引力而凝聚起来,大家有兴趣的话可以亲自算一算,当这根针的速度达到多大时就可以具备这么多的能量?