一根针质量足够好,速度足够快就可以击穿地球、击碎地球、击暴地球,如何办到?
条件
1.它必须是特殊材料制作成的针,保证不会被毁坏,结构稳定,因为陨石落入大气层都会烧成渣。
2.其次有足够的能量使它的速度可以足够快,但它无法达到光速。
针达到光速会发生什么?
质量就是能量,能量源于构成物质的粒子间的相互作用(束缚),只要被束缚了就无法达到宇宙速度的上限,即光速。
图:一个水分子的拆解
在更小的尺度下,质子、中子并非最小的粒子,由更小的基础粒子组成。基础粒子间的相互作用决定了物质质量与物质稳定的三维结构。
例如:质子由3个夸克子组成,而夸克组合所表现出来的质量源于一种叫胶子的粒子,它像胶水一样把它们牢牢“粘住”。在量子力学中称之为强相互作用,也叫强力。而单个夸克本身也具有质量,源于希格斯玻色子与之相互作用。
总之宇宙万物的质量都源于粒子间相互作用产生的能量,而静止质量不为零的粒子源于希格斯机制,但光子、胶子与希格斯玻色子没有作用机制,所以它们的静质量为零。
如果物质想要已光速运动就会脱离相互作用的束缚,脱离一切机制,结局就是失去能量,失去质量,无法维持三维结构,前提必须有挣脱束缚的办法,目前能干出这事的只有黑洞。
除此之外,还必须有无限的能量,或许整个宇宙的能量都不够,而且散架的针也就不是针了,因此让针达到光速没有意义,并且击穿地球不需要达到光速。
为什么不能听牛顿的?
爱因斯坦基于光速不变原理,在《狭义相对论》描述了速度与质量的关系。同样表达了物质不能达到光速。从下面曲线与公式中可以得出这个结论。
同时他的质能方程描绘了质量与能量的关系,深入到微观层面,描述粒子相互作用产生的能量等于多少质量。最关键的质速关系与质能等价方程能计算出针如何把地球轰成渣。
牛顿的经典力学在高速领域中不适用,物理量需要进行高速修正(洛伦兹变换)。
简单解释:在经典物理中,可以用一个坐标系描绘小红追小明的问题,因为她俩带的手表走的一样快,因此时间坐标轴是一致的。
这源于牛顿绝对时空观,即空间、时间是相互独立的,而且时间与空间都是绝对的。19世纪光速不变的发现,让爱因斯坦发现绝对时空存在无法解释的一系列问题,于是在1905年发表了《狭义相对论》对物理的基本概念进行改革。
其中,时间与空间是不能独立存在的。如果小明开着极速飞船,那么它们需要两个独立的坐标系才可以计算,因为高速运动或在强引力场中都会使时间出现膨胀效应,也就是说时间轴不一样了。小红和小明都需要用各自的时间坐标与空间坐标进行表示。可以简单理解为,各自处于不同的时空之中。再直白点就是他们表走的速度不一样,时间也不同步了。那么两个坐标系如何计算呢?
我们需要对两个坐标系中的物理量进行变换,简单来说就是先设定观察者是谁,比如说小明,小红在自己的时空中高速运动,那么就需要把小红在那个时空中的质量、时间、速度等物理量变换到小明的时空中进行计算,变换的系数与速度有关,就是下面这个,物理学中叫洛伦兹因子,一般情况下叫做修正因子(高速运动的修正),或者变换因子比较好理解。
计算与结果
理解了这些,小针撞地球的问题就成了加减法问题,即针高速运动所具有的能量(E)减去自身具有的能量(E0)就是针具有的动能(Ek=△E),动能如果大于地球的结合能,那么地球就会散架。
地球上的你作为观察者,望着一根针向地球冲来,我们需要对针的质量进行乘以修正因子进行变换求出相对质量m。
然后代入动能公式Ek中,就会得到以下方程:
从中可以看出,针动能的大小取决于变换因子,而变换因子的大小又取决于针的运动速度:
从曲线中可以看到针的速度无法达到光速,但随着它无限接近光速,因子就会无穷大,换句话说针具有无穷大的动能,无穷到击碎一切。