質量為10克的鐵球無限接近光速,如何擊碎地球?愛因斯坦:小意思

2021-01-15 科學美少男

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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。

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  • 一根針以光速打擊地球,是一穿而過還是摧毀地球?
    這個世界上沒有能夠達到光速的物質。當然,這個物質必須有靜質量,哪怕是一點點非常非常微弱的靜質量也不行。光子沒有靜質量,因此以光速運動;中微子是迄今人類認為最小的物質,可能存在弱小的靜質量,因此只能無限接近光速,而無法達到。
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    小編喊你看網友神評論啦~百聞神評論,精選每日用戶熱評,為你分享網友最新鮮、最犀利的觀點~下面給大家分享的熱點話題是【愛因斯坦這樣解釋光速恆定問題】,此消息一經曝出,在網絡上掀起了不小的波瀾,截止目前點擊量已達9122,1921位網友紛紛發表了自己的態度~快來圍觀,前排搶個沙發吧~光的速度,不管觀測者的運動狀態如何,永遠都是每秒30萬公裡,為什麼?
  • 愛因斯坦的狹義相對論:如何克服光速並穿越世界的?
    大約100年前,阿爾伯特·愛因斯坦發表了一些具有開創性的聲明,談到了在太空中高速飛行的人所面臨的挑戰。特別是關於他們將如何「體驗」時間的問題。如果太空人能以接近光速的速度飛行,那麼時間對他來說就會慢得多。當他回到地球時,他的朋友們會比他更老。愛因斯坦認為,光速是物質世界的基本速度極限。根據愛因斯坦的理論,具有質量的物體不能超過光速,因為它們需要無限的能量。從宇宙飛船到中微子,一切都適用。
  • 一個人以光速飛行10秒鐘,然後再返回地球,他還能見到家人嗎?
    ,因為光速實在太快了,人類還沒有可以達到或者接近光速的飛行器,不過根據愛因斯坦對待科學的嚴謹性,時間膨脹理論雖然僅僅驗證了三分之一,剩下的三分之二十有八九應該也是對的,假設以光速飛行真的可以讓時間停止,那麼如果一個人從地球出發,以光速飛行10秒鐘,然後在返回地球,他還能見到自己的家人嗎?
  • 如果用一顆普通的子彈,以光速撞擊地球,地球有可能被擊穿嗎?
    光速是宇宙中最快的速度,而且也有可能是改變人類世界的一個速度,因為愛因斯坦曾經說過,如果物體的速度達到光速,那麼就可以讓時間停止;如果物體的速度超越光速,就可以讓時間倒流 ,因此人類如果能夠達到光速,就可以驗證愛因斯坦這個科學預言,從而實現讓時間停止或者時間倒流這樣只有神話才存在的事情。
  • 光速離開地球一分鐘再返回,會如何?光:地球已沒,宇宙已死
    一分鐘後回來,地球早已不在了,宇宙也演化終點,或許連原子結構都會被暗能量瓦解,一片死寂,但前提是「上帝」能從其他「平行宇宙」給飛船調來充足的能量,可以短時間內讓飛船無限接近於光速,讓時間無限接近於靜止。這個能量會超過我們這個宇宙能量的總和,但即使是這樣飛船達到光速是不可能的,因為只有信息與能量才能達到光速。
  • 如果一根針以光速擊中地球,會造成什麼結果?
    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。
  • 如果飛船無限接近光速,那飛船內的時間是靜止的嗎?為什麼?
    如果飛船無限接近光速,那飛船內的時間是靜止的嗎?為什麼?其實關於相對論的各種誤解還是蠻多的。「如果飛船無限接近光速,那飛船內的時間是靜止的嗎?為什麼?」其實就是極為典型的誤區之一。那具體哪有問題呢?則是後來補發的一篇,愛因斯坦推導狹義相對論的方程,發現質量和能量的關係,並且統一了質量和能量,提出了著名的質能方程。所以,質能方程其實是狹義相對論的一個副產品,而狹義相對論一開始這樣稱呼時,愛因斯坦是不太樂意的,他其實更偏好於絕對論。但其實無論哪一種叫法,都能體現出這個理論的特點。那具體是啥特點呢?
  • 中微子的速度非常接近光速,為何質量沒有趨於無窮大?
    日常生活中,一個物體不論是靜止還是在運動,一般不會考慮其質量的變化。在牛頓力學中,物體的質量與物體的運動狀態沒有關係。1905年愛因斯坦給出狹義相對論後,人們才認識到物體的質量會隨速度的增大而增大,並且當速度趨近於光速時,物體的質量會趨於無窮大。
  • 光速為什麼是30萬公裡每秒?怎麼算出來的?光能飛出宇宙嗎?
    光速為什麼是30萬公裡每秒?怎麼算出來的?光能飛出宇宙嗎?在高中的時候我們都上過政治課,哲學家告訴我們,我們的世界是物質的世界,是不以人的意志為轉移的,在描述物質世界的時候,不管是它的高度還是質量,都是沒有限制。