如果一根针以光速撞击地球,会发生什么?

在6500万年前,一颗直径在9.7公里的小行星,以40倍音速的速度撞向地球,直接终结了恐龙称霸的时代。在我们的一般印象里,撞向地球的小行星只有足够大,才会对地球和生命产生威胁,如果太小的话,就会在大气层中燃烧殆尽,变成漂亮的流星

但如果我们把这个问题推向极限,假设一根接近光速的缝衣针冲向地球,究竟是无事发生,还是毁天灭地呢?

堪比原子弹的缝衣针

看到这个题目,想必不少人已经开始笑了,这不是当年那个“雨掉下来为什么砸不死人”的问题的翻版吗?别说接近光速了,就是等于光速也不会怎么样,比如说太阳光照在人身上,除了变暖和之外什么也发生不了。但实际上,如果真的有根针能接近光速,那么它爆发的威力,堪比原子弹爆炸。想理解这一点,我们需要先讲一讲动能的概念。

动能是一个运动物体所蕴含的能量,它的大小和两个变量有关,也就是重量和速度,重量和速度越大,这个运动物体的动能就越高。我们来举个例子,比如说一辆小轿车,如果它以20公里每小时的速度撞到一个人,那么这个人除了会感觉到疼之外,不会有什么生命危险。但如果这辆车加速到了60公里每小时,就足以把人撞成重伤或者死亡了

也就是说,在重量不变的情况下,这个物体的速度越快杀伤力就越大。这也就是为什么只有几克重的子弹弹头,用火药打出去就可以取人性命的原因。要知道,一颗普通子弹的速度也不过是亚音速,威力就有这么大,而一根接近光速的针,速度可是光速的882353倍,这个破坏力已经相当可观了

如果一根针以光速撞击地球,会发生什么?地球消失还是毫无反应?

Tips:缝衣针,缝衣服使用的针,分不同尺寸大小。也是冰与火之歌中艾德·史塔克次女,艾莉亚·史塔克使用的武器。

也许你会疑惑,既然达到光速的东西动能非常大,为什么光本身却毫无杀伤力呢?这是因为光子的静质量其实是零,所以才没有杀伤力。而针虽然小,但拥有质量的它,蕴含的动能已经大到让人咋舌的地步了。

我们可以亲自计算一下,假设这根针的重量只有0.3克,速度达到了99%光速,代入计算公式,Ek=mv²/2可以得到这根针的动能为1.64×10^14 焦耳。这大概是个什么概念呢?一吨TNT炸药爆炸释放的能量只有4.2×10^9焦耳,所以这根针爆发的能量相当于3.6万吨TNT炸药。当年的原子弹小男孩只相当于1.5万吨TNT,这根针已经相当于两颗小型原子弹了

也许你会觉得这也没有什么,我们的地球有大气层保护,这么快的速度,一定在大气层中被烧没了,不会有什么实际影响,那么你大错特错。不管这根针变成什么样子,这些动能都不会凭空消失

地球的大气层非常厚实,按照最外面的逃逸层来算,厚度可以达到800公里。一般的流星速度较慢,到了大气热层才会开始燃烧,而这根针一开始接触大气,就已经开始剧烈反应了。在与大气的碰撞中,它会被高温气化成铁离子,但是它依旧具有质量,所以动能并不会消失,反而散开形成一个离子团,在与空气的碰撞中变成一股巨大的冲击波轰向地球表面。

不过,在能量传递的过程中,这些原子和离子会逐渐减速。我们也许能听见缝衣针和大气撞击时产生的巨响,但对地面的我们来说还造不成什么危害。只是相当于美国又在大气层搞了一次核爆试验,还没有任何辐射残留的担忧。不过,这只是考虑了这根针的动能,其实如果真有东西可以这么接近光速,它在和大气的碰撞中,已经可以引起核聚变了!

毁天灭地的缝衣针

2010年11月9日,科学家借助欧洲大型强子对撞机,把质子加速到了0.999999991倍光速,它们碰撞之后爆发的能量达到了惊人的10万亿度,是太阳核心温度的100万倍,也相当于宇宙大爆炸后万分之一秒时宇宙的温度。

而这,已经是目前科学家加速有质量物体的极限了,如果说我们可以更加接近光速,仅靠两个质子的碰撞,我们就可以制造出一个量子级宇宙,甚至产生一个宇宙。如果这根缝衣针也能更加接近光速,产生的效果将被无限放大。前面我们讨论的例子里,缝衣针只有99%的光速,让我们继续加速看看会发生什么。

假设缝衣针的速度达到了0.9999倍光速,那么它的动能就相当于1.88×10^15焦耳,相当于45万吨TNT爆炸的威力。这时人类可以在地面上看到非常壮观的爆炸,冲击波也能对地面产生一定的影响,但问题不大。当缝衣针达到0.99999999倍光速,能量就相当于1.9×10^17焦耳,约为4500万吨TNT爆炸的威力,这时人类最强氢弹,沙皇炸弹的爆炸威力

不过因为在大气层引爆,所以除了会产生很强的冲击波扰乱大气之外,对我们还是没有多少影响。但如果说小数点后面的9有14个,那么产生的能量就已经相当于冷战时期人类核武储备的最高量,达到450亿吨TNT,其爆炸的冲击波足以让上亿人死亡。

等到小数点后面的9累加到20个,产生的能量达到了1.9×10^23焦耳,为450万亿吨TNT当量,是当年灭绝恐龙的陨石的2倍,9成的人类可能在这场大爆炸中直接丧生,剩下的人只能在接下来的环境巨变中瑟瑟发抖。人类会不会就此灭绝小编不知道,但所谓的文明,已经在这场爆炸中被全部摧毁了。不过,这还不是缝衣针的极限,它的动能是一条指数函数,哪怕小数点后面多一个9,威力都会暴增。

当小数点后面的9累加到38个,产生的能量足以炸毁地球,我们的母星会在爆炸中支离破碎,变成一条绵延数百万公里的小行星带。或许,再经过上亿年的时间,这些小行星带会在重力作用下重新聚合,再度变成一颗行星,但生命绝对早就不复存在了。只要在这个基础上再加一个9,爆炸的威力足够让地球的碎片散布在整个太阳系之中,地球再也不复存在了。

当然,这还不是缝衣针的极限。我们继续在小数点后面加9,如果达到了62个9,这股能量就相当于太阳稳定燃烧100亿年释放的能量。如果有93个9,产生的能量就相当于整个银河系所有的物质湮灭释放的总能量。这还没完,如果小数点后面的9增加到133个,产生的能量就相当于整个可观测宇宙湮灭释放的总能量。

这意味着,这根针爆炸,足以再造一次宇宙大爆炸。是的,没听错,这根针已经可以创造出新的宇宙了。如果说这根针的速度达到了光速,那么它的能量将是无穷大,很难想象由它创造的宇宙究竟是什么样子。还好,根据爱因斯坦的相对论,光速是世界上的绝对速度,没有什么有质量的东西可以达到光速。把缝衣针加速到接近光速,所需要的能量也无限接近于无穷大,所以大家也不用担心,真的会有这么小的东西以接近光速的速度冲向地球。

一个有趣的事情是,尽管这根缝衣针已经达到了毁天灭地的地步,但它还是无法贯穿地球,因为在接触到空气分子时,就已经发生聚变爆炸了

所以我们不妨把脑洞再开得大一点,想让这根钢针直接穿透地球,需要具备什么样的条件?

缝衣针怎么才能穿透地球?

这个时候,我们就需要假设,这根钢针像《三体》中描绘的“水滴”一样,是一种无论怎么破坏都无法伤它分毫的刚体。这样,我们就完全不用担心它在与空气碰撞时分解成等离子体了。但这时依旧有一个问题,就是动能的传递,缝衣针虽然可以完整地穿过大气,但是它的动能会在空气阻力的作用下以极快的速度减弱

而传递出去的动能,也会形成足以摧毁地球的冲击波。也就是说,除非这根针能超过光速,要不然由它导致的冲击波和聚变反应,总会先它一步轰击地球,把地球炸碎。这么说来,一根能创造宇宙的缝衣针,居然连地球都扎不破?是的,除非这根针的密度高到可怕,比如说达到中子星的密度。

中子星是目前宇宙中已知的,密度仅次于黑洞的星体。它是足够大的恒星在晚年塌缩之后形成的天体,差一点就能变成黑洞,上面的物质每立方厘米的重量都至少在1亿吨以上。因为密度奇高,所以引力也大得可怕,所有原子中的电子,都被挤压到了质子里变成中子,让所有元素的原子变得只剩下中子,所以才得名中子星。从它身边经过的光,都是呈抛物线逃离的

如果一根针的密度达到了中子星的水平,那么它的质量起码是普通缝衣针的1亿倍,最初接触它的空气都会被这根针的重力捕获,被巨大的引力压成一层薄薄的液体覆盖在缝衣针的表面。

这个时候,哪怕这根由中子星构成的针做自由落体运动进入大气,速度从零开始增加,产生的速度和动能,也足以把地球贯穿了。这个时候,因为缝衣针的速度是逐渐增大的,虽然在这个过程中也会产生冲击波,但是在到达地表的时候,它积累的加速度,就已经接近光速,可以赶在冲击波炸毁地球之前,先把它扎个对穿。

可以想见,被一根针扎穿,对地球来说也是非常可怕的事情。因为随着缝衣针的深入,地球的密度也是越来越高,阻力增大,缝衣针不得不释放更多动能。于是,地球内部会累加足够大的动能,直接从核心开始爆炸,连同姗姗来迟的大气冲击波一道,把地球炸成一片尘埃。

这个现象和子弹的空腔效应很像,因为大多数能量都是子弹在穿透肉体时释放的,所以看起来子弹的弹孔只有一个小洞,但内部已经被破坏了一大片了。

结语

虽然这次我们讲的只是一个脑洞大开的讨论,实际上针不可能被加速到近光速,更不可能把中子星上的物质加工成针的样子。但是,这个问题依旧能在现实中找到原型,也就是各国都在研究的动能武器,实际上就是威力被放大了数万倍的“子弹”。

1957年7月26日,美国在地下引爆核弹时,因为对威力估计不足,核弹爆炸的冲击波把竖井上的“井盖”炸飞了出去。事后估计,这个井盖的速度起码达到了6倍的地球逃逸速度,它要么飞出了地球,要么在大气层中被烧毁了,无论如何,这个井盖再也没有被人找到。由此,科学家想到,如果换成氢弹,把这个井盖炸飞出去,是不是可以变成对付外星人唯一有效的武器。当然,这也只有实际试验了之后,我们才能知道答案吧。

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