我們所在的太陽系中目前已知的行星一共有8顆。離太陽最近的是水星,然後依次是金星、地球、火星,這4顆行星屬於巖石行星;再往外則是氣態行星,分別是木星,土星,天王星,海王星。
其中木星是這8顆行星中最大的,在木星和火星之間還有小行星帶,其中遍布著許多小行星。由於木星的存在,它依靠著自己的引力牽引著這些小行星,以至於這些小行星不會輕易地衝進太陽系內圈來。
但是木星也偶爾會失手,這時候小行星就有可能撞擊內圈的巖石行星。在距今6500萬年前,木星就失手了,一顆直徑為10公裡的小行星進入到太陽系的內圈,並且一頭撞上了地球,引發了第五次物種大滅絕。大部分的恐龍在隨後的100~200萬年內逐漸消失,只有少數演化成了如今的鳥類。
一顆直徑10公裡的小行星就足以撼動統治地球上億的恐龍,我們知道根據愛因斯坦相對論中推論,光速是物質、信息、能量的極限速度,如果一根針以無限接近於光速的速度衝擊地球,那地球上會被摧毀嗎?
地球會被「光速針」摧毀嗎?
在著名的科幻小說《三體》中,三體星人就曾經利用「水滴」,純粹利用「野蠻衝撞」的形式就摧毀了大量的星際戰艦,而水滴實際上能夠做到這一點的主要原因是:密度足夠大。針重量很輕,甚至不到1克,密度也不大,因此,針如果以很低的速度撞擊地球,根本不會對地球有什麼影響。
但是,還是在這本科幻小說中,三體星人的家園三體星系後來這是被歌者文明所毀滅,歌者文明用到的是:光粒。也就是說接近於光速的粒子,就摧毀了一整個星系。
雖然《三體》是科幻小說,但這裡其實是有依據的。
我們日常生活的世界屬於宏觀低速的世界,在這個尺度下,我們運用牛頓力學就可以很好地描述這個世界。不過,到了20世紀初,物理學上空出現了兩朵烏雲,這兩朵烏雲讓我們知道,在速度快,引力大的大尺度下,牛頓力學的誤差會大到離譜;同樣的,在微觀的亞原子級尺度,牛頓力學也會出現很大的誤差。
於是,這兩朵烏雲就催生了現代物理學的兩大支柱,分別是相對論和量子力學。量子力學可以解釋微觀世界的物理學規律,而相對論則可以解釋速度快,引力大的大尺度問題。
那麼什麼算是速度夠快呢?答案是:處於亞光速或者接近於光速,並且越接近於光速,相對論的效應越是明顯。根據狹義相對論,我們可以計算出一根針接近光速時所對應的動能量。
根據公式,我們就會發現,當速度越接近於光速,分母就越接近於零,那麼這根針的動能就越大,當達到光速時,動能就會處於無限大。也就是說,如果一顆針真的能夠達到光速,那麼它撞擊地球後,因為能量太大,肯定會把地球給摧毀。
根據相對論,我們知道,只有靜止質量為0,才有可能達到光速,比如:光子就是靜止質量為0。由於針是具有靜止質量的,因為它無法達到光速,但它可以無限接近於光速,這也就意味著它的動能可以趨近於無限大。地球的引力結合能是:E=2.25*10^(32)(J),這裡的引力結合能指的是把地球掰開,並且確保地球不會再依靠引力聚合起來所需要的能量。
如果我們帶入到上面的方程進行計算,設定一顆針的重量為0.3克,我們就得到:當針可以達到光速的99.99999………………(大概是32個9)%。
也就是說,當這根針達到99.9999………………(大概是32個9)%時,它迎頭撞上地球,地球就會被這根針所摧毀。這根針就如同上文提到的《三體》中歌者文明手中的「光粒」一樣。
總結
根據相對論,一根針是具有靜止質量的,因此它無法以光速撞擊地球。但是當它無限接近於光速時,達到光速的99.99999………………(大概是32個9)%,它的動能就超過了地球的引力結合能,這個時候這根針完全可以摧毀地球。