问:一个10kg重的铁球,用光速撞击地球,能把地球撞穿吗?想通俗讲明白这个问题并不容易。
一涉及到光速的问题基本上是奔着爱因斯坦来的,而根据《狭义相对论》物体静止在地球的秤上有示数的物体永远无法到达光速(静质量不为零),如果有静质量的铁球哪怕是质量非常小,无限接近于光速,就算是1万个地球排成队,也不够它撞的,甚至宇宙毁灭!这就是结论。
有记者问爱丁顿,听说全世界只有三个人真正懂得相对论,是这样吗?爱丁顿反问:谁是第三个人?
图:爱因斯坦与爱丁顿促膝长谈
在《狭义相对论》中,速度无限接近于光速,就意味着铁球需要无限的加速能量,无限并非定值,而是无穷,具体有多大,取决于它有多接近光速。这样的解释对于大多数人都云里雾里的,因为《狭义相对论》是基于实验得到的“光速不变”原理,通过数学微积分推导得到的结论,如果直接说一下公式再带入计算,大部分人还是难以理解。因此要解释为什么“秤上有示数的物质”无法达到光速,为什么光速会不变,为什么地球宇宙会被10g的铁球会灭掉就要回到物质的本质。
物质的本质是什么?
物质有什么构成的
物质的质量哪来的
质量本质到底是什么
简单来说,从宏观的层面,你此刻手里拿的手机无论是超薄的、还是全面屏的都具有一定的质量,不带壳的摸着挺烫手,说明它向外释放着能量(热辐射)。
继续深入为各种零件,再继续为各种材料,这些材料有各种成分,每种成分由分子、原子组成,例如屏幕中必然有玻璃的主要成分硅酸盐,普通的玻璃组成为:
它们就像拼积木似的,只不过Na(钠)这种积木少,O(氧)这种积木多,具体多少就看化学式,它就像物质的说明书一样,下角标都标着数量,各种元素组成了你所见的世界万物,然而这些元素并非最小积木,它们甚至是可变的积木。
在太阳燃烧的过程中,几个氢“积木”会合并成更大的氦“积木”并释放能量,为太阳系提供光和热。
而聚变的背后是这些积木内部结构的改变,因为它们都是由原子核中的质子和中子,还有核外电子组成的,到底是什么元素主要取决于核内质子的数量,质子数为1为氢,为2则为氦,继续往下看元素周期表。
而组成元素的质子、中子也并非最小的粒子,在更微观的层面还有夸克与各种粒子。我们把这个层面的粒子叫做基本粒子,它们才是组成物质最小的“积木”。
通俗来说我们把这些粒子分为两类,有静质量的费米子和静质量为零的玻色子。费米子是组成物质的基本结构粒子,例如核外的电子和组成质子和中子的三价夸克。
而玻色子在不同费米子之间进行能量传递,或者说是通过相互作用表现宇宙间的三大力,强力(胶子)、弱力(玻色子)、电磁力(光子),而引力至今还没找到引力子,目前由爱因斯坦《广义相对论》描述。
总的来说说,电子为轻子质量忽略不计,而夸克间的质量来源于胶子的强相互作用,因此质子有了质量。那么夸克的自身质量来源于哪里?
2012年,欧洲核子研究中心通过对撞机发现了质量之源——希格斯玻色子,它存在于宇宙的各个角落,形成希格斯场,而夸克在场中运动与其作用得到了势能有了质量。因此从本质来说,一切质量归于粒子间的相互作用,也就是能量。
打破能量的秩序
物质由基本力构成了三维结构才有了你手中的手机,然而这种结构并非坚不可摧。玻色子(光子等)静质量为零,这是因为它不受希格斯场作用,在没碰到费米子前它们可以心无旁鹭的以光速运行,这是相对于宇宙背景前提下最快的速度。
费米子(夸克、电子)由于从场中获得质量,同时也会受到场的制约,这就会产生相对速度,注定与至高的绝对速度无缘,在光速的制约下它们可以无限接近于光速,而光速永远是光速,光速的玻色子在它们之间以光速进行作用维持着物质应有的秩序,而宇宙中有一种天体叫做黑洞,它可以吞噬光。
黑洞
当一个物质想要向某处移动,组成物质的结构粒子必然要统一像某处进行移动,而传递移动能量的玻色子也要遵循着移动方向进行相互作用。黑洞质量极大,光进入黑洞视界也出不来,这代表着同样光速运动、静质量为零的玻色子进入黑洞也出不来。
广义相对论中,引力是时空几何的性质,时空曲率越大,引力越大。玻色子即使是光速,在黑洞视界内的时空曲率已经失去了原本的方向,只会走向黑洞的奇点。这意味着连接费米子之间的纽带已然无效,三维结构就会崩塌,因此进入视界之后,所有的物质都会被拆分成基本粒子,甚至人类未知的更小的结构,总之它们的单位都是零维的,一堆零维的粒子在中心组成一维的奇点。
铁球
了解这些回到铁球的问题:
铁球为何无法达到光速?
铁球无法达到光速是因为铁球有质量,组成铁球的粒子受到了场的束缚,所以无法达到宇宙至高的光速。光速之所以恒定不变是因为光在真空中,了无牵挂不受场的束缚,不存在相对运动。
为何铁球无限接近光速能毁灭地球?
爱因斯坦基于《狭义相对论》的质增效应,推导出来了质能等价方程,由此我们知道质量只是能量的另外一种形式。从上面的四大基本力与希格斯场中,更容易理解质量其实就是能量。
当我们想让铁球无限接近于光速,也预示着要给予铁球无限的能量,而即使给予它无穷无尽的能量它也达不到光速。爱因斯坦《狭义相对论》中的质量(能量)与速度的关系公式描述了这种性质。
随着铁球无限接近于光速,铁球所具有的能量(静质量),就照着公式中的曲线无限拔高,具体有多高,取决于它多接近光速,或者说有多少能量使它加速,而铁球永远到达不了光速,同样能量也是无穷,根据能量守恒定律,10g的小铁球接收无穷的能量,而无穷的能量压根看不起宇宙中的一粒尘埃——地球。