一個質量點可以摧毀一顆恆星?當物體以光速運動,威力有多大?

2020-12-03 科學信仰

在科幻作品《三體》之中,一直企圖徵服地球的三體文明,最終被另一個高等文明所發射的質量點徹底摧毀了,連同三體星在內的整個恆星系全部因為一個小小的質量點而煙消雲散。

什麼是質量點呢?可以將其簡單理解為一個最小的質量單位,它比一粒塵埃、一個分子、一個原子都更加微小。在我們的常識之中,一粒塵埃是無法帶來任何破壞性的,無論我們怎樣去操作這一粒塵埃,它幾乎都無法對任何事物造成任何物理損傷。我們的常識並沒有出錯,因為我們是生活在一個宏觀低速環境之中的,在這裡,一切運動都極為緩慢,不論是汽車、飛機,還是運載火箭,它們都太慢了。那麼什麼樣的速度才叫快呢?當然是光速,光速是宇宙間最快的速度,是宇宙最基本的物理法則。

任何有質量的物體無法達到光速,而如光子一般沒有質量的物體則只能以光速運行。

那麼如果假設一個有質量的物體達到了光速,那又會怎麼樣呢?那麼這個物體將會具有無以倫比的威力。在《三體》之中,一個小小的質量點之所以能夠摧毀一整個恆星系,奧秘就在於這個質量點是以光速運動的。為什麼有質量的物體在以光速運動的時候會產生如此巨大的威力呢?

要解答這個問題,我們先要明白為什麼在現實世界中,有質量的物體無法達到光速。根據質能方程可知,有質量的物體在加速的過程中會產生一個慣性質量,而慣性質量與引力質量是等效的。隨著物體運動速度的不斷提高,慣性質量也會隨之增大,一開始,這種慣性質量的增加是有限的,但隨著速度不斷接近於光速,慣性質量的增加就會變得十分恐怖。

在理論上,當一個有質量的物體的運動速度無限趨近於光速,其慣性質量的增加也將趨近於無窮大,而繼續加速就需要有無窮大的能量來進行推動,而宇宙間不存在無窮大的能量,所以也不可能將有質量的物體推進到光速。

到這裡,我們已經明白了,當一個有質量的物體加速到光速將會具有怎樣的威力。儘管物體的靜止質量可能很小很小,但只要它具有靜止質量,那麼當它到達光速的時候也就會擁有無窮大的質量,而被一個擁有無窮大質量的物體撞擊,結果可想而知。當然,我們也可以換一種更為具體的方式來描述光速物體所具有的威力,那就是它的動能。那麼一個光速物體,它的動能有多大呢?如果我們擺出動能公式,就會發現結果和我們所預想的並不一樣。

眾所周知,動能公式為Ek=(mv∧2)/2,在這個公式中,m表示物體的質量,v表示物體的運動速度。

通過動能公式,我們一眼就可以看出,一個初始質量很小的物體,即使它的速度達到光速,其動能依舊是非常有限的,即使與其它物體撞擊也不足以造成毀天滅地的破壞力。

那麼到底是哪裡出了問題呢?問題就在於動能公式不能用於計算光速以及接近光速運動的物體。動能公式是以經典物理學作為基礎的,而經典物理學實際上是宏觀低速環境下的一種特例,一旦我們進入到高速環境之中,經典物理學就變得無能為力了。所以要計算一個物體光速或接近光速時所具備的動能就需要應用到另外一套理論,它就是相對論。

在將數據帶入到相對論公式之中後,我們也就得到了正確的結果,無論物體的初始質量有多麼微小,在接近光速的時候都會具有極大的動能,而如果一個具有靜止質量的物體的速度達到了光速,那麼這個物體的動能也將變為無窮大。

一個擁有無窮大動能的物體不僅能夠摧毀行星、恆星,它的力量甚至足以將整個宇宙摧毀。不過這一切並不會發生,因為一個物體想要具有無窮大的動能,首先必須擁有無窮大的能量將其加速到光速才行。目前人類所能夠製造的最高速度其實已經相當接近於極限了,在大型強子對撞機之中,質子的速度已經可以達到每秒299792455米,而光速為每秒299792458米。

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