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問:一個10kg重的鐵球,用光速撞擊地球,能把地球撞穿嗎?想通俗的講明白這個問題並不容易。
一涉及到光速的問題基本上是奔著愛因斯坦來的,而根據《狹義相對論》物體靜止在地球的秤上有示數的物體永遠無法到達光速(靜質量不為零),如果有靜質量的鐵球哪怕是質量非常小,無限接近於光速,就算是1萬個地球排成隊,也不夠它撞的,甚至宇宙毀滅!這就是結論。
有記者問愛丁頓,聽說全世界只有三個人真正懂得相對論,是這樣嗎?愛丁頓反問:誰是第三個人?
圖:愛因斯坦與愛丁頓促膝長談
在《狹義相對論》中,速度無限接近於光速,就意味著鐵球需要無限的加速能量,無限並非定值,而是無窮,具體有多大,取決於它有多接近光速。這樣的解釋對於大多數人都雲裡霧裡的,因為《狹義相對論》是基於實驗得到的「光速不變」原理,通過數學微積分推導得到的結論,如果直接說一下公式再帶入計算,大部分人還是難以理解。因此要解釋為什麼「秤上有示數的物質」無法達到光速,為什麼光速會不變,為什麼地球宇宙會被10g的鐵球會滅掉就要回到物質的本質。
物質的本質是什麼?
物質有什麼構成的物質的質量哪來的質量本質到底是什麼
簡單來說,從宏觀的層面,你此刻手裡拿的手機無論是超薄的、還是全面屏的都具有一定的質量,不帶殼的摸著挺燙手,說明它向外釋放著能量(熱輻射)。
繼續深入為各種零件,再繼續為各種材料,這些材料有各種成分,每種成分由分子、原子組成,例如屏幕中必然有玻璃的主要成分矽酸鹽,普通的玻璃組成為:
它們就像拼積木似的,只不過Na(鈉)這種積木少,O(氧)這種積木多,具體多少就看化學式,它就像物質的說明書一樣,下角標都標著數量,各種元素組成了你所見的世界萬物,然而這些元素並非最小積木,它們甚至是可變的積木。
在太陽燃燒的過程中,幾個氫「積木」會合併成更大的氦「積木」並釋放能量,為太陽系提供光和熱。
而聚變的背後是這些積木內部結構的改變,因為它們都是由原子核中的質子和中子,還有核外電子組成的,到底是什么元素主要取決於核內質子的數量,質子數為1為氫,為2則為氦,繼續往下看元素周期表。
而組成元素的質子、中子也並非最小的粒子,在更微觀的層面還有夸克與各種粒子。我們把這個層面的粒子叫做基本粒子,它們才是組成物質最小的「積木」。
通俗來說我們把這些粒子分為兩類,有靜質量的費米子和靜質量為零的玻色子。費米子是組成物質的基本結構粒子,例如核外的電子和組成質子和中子的三價夸克。
而玻色子在不同費米子之間進行能量傳遞,或者說是通過相互作用表現宇宙間的三大力,強力(膠子)、弱力(玻色子)、電磁力(光子),而引力至今還沒找到引力子,目前由愛因斯坦《廣義相對論》描述。
總的來說說,電子為輕子質量忽略不計,而夸克間的質量來源於膠子的強相互作用,因此質子有了質量。那麼夸克的自身質量來源於哪裡?
2012年,歐洲核子研究中心通過對撞機發現了質量之源——希格斯玻色子,它存在於宇宙的各個角落,形成希格斯場,而夸克在場中運動與其作用得到了勢能有了質量。因此從本質來說,一切質量歸於粒子間的相互作用,也就是能量。
打破能量的秩序
物質由基本力構成了三維結構才有了你手中的手機,然而這種結構並非堅不可摧。玻色子(光子等)靜質量為零,這是因為它不受希格斯場作用,在沒碰到費米子前它們可以心無旁鷺的以光速運行,這是相對於宇宙背景前提下最快的速度。
費米子(夸克、電子)由於從場中獲得質量,同時也會受到場的制約,這就會產生相對速度,註定與至高的絕對速度無緣,在光速的制約下它們可以無限接近於光速,而光速永遠是光速,光速的玻色子在它們之間以光速進行作用維持著物質應有的秩序,而宇宙中有一種天體叫做黑洞,它可以吞噬光。
黑洞
當一個物質想要向某處移動,組成物質的結構粒子必然要統一像某處進行移動,而傳遞移動能量的玻色子也要遵循著移動方向進行相互作用。黑洞質量極大,光進入黑洞視界也出不來,這代表著同樣光速運動、靜質量為零的玻色子進入黑洞也出不來。
廣義相對論中,引力是時空幾何的性質,時空曲率越大,引力越大。玻色子即使是光速,在黑洞視界內的時空曲率已經失去了原本的方向,只會走向黑洞的奇點。這意味著連接費米子之間的紐帶已然無效,三維結構就會崩塌,因此進入視界之後,所有的物質都會被拆分成基本粒子,甚至人類未知的更小的結構,總之它們的單位都是零維的,一堆零維的粒子在中心組成一維的奇點。
鐵球
了解這些回到鐵球的問題:
鐵球為何無法達到光速?鐵球無法達到光速是因為鐵球有質量,組成鐵球的粒子受到了場的束縛,所以無法達到宇宙至高的光速。光速之所以恆定不變是因為光在真空中,了無牽掛不受場的束縛,不存在相對運動。
為何鐵球無限接近光速能毀滅地球?愛因斯坦基於《狹義相對論》的質增效應,推導出來了質能等價方程,由此我們知道質量只是能量的另外一種形式。從上面的四大基本力與希格斯場中,更容易理解質量其實就是能量。
當我們想讓鐵球無限接近於光速,也預示著要給予鐵球無限的能量,而即使給予它無窮無盡的能量它也達不到光速。愛因斯坦《狹義相對論》中的質量(能量)與速度的關係公式描述了這種性質。
隨著鐵球無限接近於光速,鐵球所具有的能量(靜質量),就照著公式中的曲線無限拔高,具體有多高,取決於它多接近光速,或者說有多少能量使它加速,而鐵球永遠到達不了光速,同樣能量也是無窮,根據能量守恆定律,10g的小鐵球接收無窮的能量,而無窮的能量壓根看不起宇宙中的一粒塵埃——地球。