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1根针以光速击中地球,地球会被摧毁吗?

话说在6500万年前,已经在地球上称霸了上亿年的恐龙,意外地迎来了灭顶之灾。一颗直径长达10公里的小行星一头撞上了地球,灰尘和二氧化硫大规模地喷出,这就使得太阳照射到地球上的日照量降低。

于是,地球上大多数的食物链崩溃,植物无法正常地进行光合作用。在接下来的200万年里,食草恐龙和食肉恐龙因为缺少食物而灭绝,飞鸟恐龙也走到了穷途末路。

倒霉的不仅仅有恐龙,还有许多其他的物种,当时地球上大概有95%的生物种类发生灭绝,是五次剧烈的生物大灭绝中第二严重的,也是距离我们最近的一次生物大灭绝。

那么问题来了,如果我们把小行星换成是一根针呢?如果一根针以光速击中地球,那么地球会引发第六次生物大灭绝吗?

一根针以光速击中地球会有什么后果?

要了解这个问题,我们首先要搞清楚一个概念:动能。

小行星撞地球之所以会引发恐龙的灭绝,主要是因为小行星的动能巨大,撞击的那一刻,动能都会被释放出来。由于小行星的速度远低于光速,所以我们可以直接用动能定理“E=(1/2)×(mv^2)”来计算它的能量,其中科学家预估,撞击地球的小行星动能是4.2×10^23焦耳。要知道,人类制造的威力最大的炸弹是沙皇氢弹,小行星撞击所释放出来的能量要是沙皇氢弹所释放出来的能量200万倍,同时也是美国在二战时期投掷在日本上的第一颗原子弹“小男孩”所释放能量的13.76亿倍。

用同样的方式,我们也可以来计算一根针的以光速运动时所对应的动能。我们姑且把针的质量按照1克来计算,那么一根针以光速运动所对应的动能就是4.5×10^13焦耳。这个数字要比小行星撞击地球小10个数量级,大概也相当于“小男孩原子弹”的威力。那是不是意味着,这根针撞击到地球上后,地球就好比被一颗“小男孩原子弹”炸了一下?

答案显然不是这样,如果真有那么以光速运动的针撞击到地球,那么地球肯定没了。但同时人类所构建的物理学大厦也会塌了,为何会如此严重呢?

现代物理学

这其实就要说到爱因斯坦了,他在20世纪初提出了著名的相对论。而在此之前,主流的科学理论是牛顿的力学理论和麦克斯韦的电磁学理论。在这之后,相对论和量子力学成为了现代物理学的支柱。

如果当一个物体的速度达到了接近于光速时,牛顿的动力学理论就不适用了,误差会非常大。这时候爱因斯坦相对论的普适性就体现出来了,在高速状态下,尤其是接近于光速时,相对论要远比牛顿力学更准确。所以,一根针如果以接近于光速运动,此时应该用的是相对论来计算动能。

而相对论告诉我们,物体的速度越快,质量就会变得越大,因此接近于光速运动的针的质量不再是1克,而取决于它有多接近于光速状态。只要接近于光速,针的质量就会非常大,动能也会非常大,撞到地球上就不会仅仅是一颗原子弹的威力,而应该是直接把地球给毁灭。

在科幻小说《三体》中就用到了这个概念,小说中,歌者文明利用“光粒”,一种接近于光速的粒子,击中一个星系,一整个星系就被摧毁了。

那一根针是不是以光速运动呢?

相对论的基础是光速不变原理和相对性原理,通过简单地推导,我们就可以得到一个结果:物质、信息、能量传递的最快速度是光速,然而如果要达到光速,意味着物质的静止质量要为零,可是针的静止质量不是零。因此,根据相对论,针是不可能达到光速的,如果真的达到了,那么相对论就错了,现代物理学的地基就要少一个。

但这还不是最严重的,严重的可以摧毁现代物理的根基。量子力学其实解释了为什么拥有静止质量的物体不能以光速运动。主要是因为构成万物的粒子有很多,而在宇宙中遍布着希格斯场。希格斯场可以对静止质量不为0的粒子减速,而静止质量为0的物体不会受到希格斯场的影响。

后来,大型粒子对撞机也证明了希格斯场的存在。因此,如果针可以达到光速,那么意味着量子力学也是错的。那么现代物理学的两大根基也就一起被摧毁。