一粒沙子看起来十分不起眼,一般沙子的直径仅为0.9毫米,其质量只需1毫克。假如一粒沙子以光速击中地球,成果会怎样呢?
事实上,沙子碰击地球的事情十分遍及,每天都在演出。太空中遍及着很多与沙子差不多巨细的岩石微粒,它们会被地球的引力招引过来,与地球发作相撞。
由于地球有稠密的大气层,当这些太空微粒以每秒十几公里的速度撞上地球时,它们会在大气中剧烈焚烧殆尽,成为一闪而过的流星。据估计,每天有2500万颗太空微粒进入大气层,它们都会在高空焚毁,不会抵达地上。
假如地球没有大气层,一粒沙子撞上地球会形成多大的损坏呢?
考虑一粒沙子从相关于地球停止开端落向地球,那么,它的引力势能会悉数转变为动能:
由此能够算出沙子碰击地上时的速度为11.2公里/秒,这个速度刚好与第二世界速度持平。
这并非是偶然,由于第二世界速度的界说与之相反。地球上的物体以某一初速度无动力脱节地球引力捆绑,逃脱到无穷远的当地,把一切动能转化为引力势能,由此算出的速度即为第二世界速度。
核算可知,沙子碰击地上时,其动能约为63焦耳。这个能量关于地上的损坏很有限,但足以对被击中的地球生命形成必定损伤。
假如沙子的速度能够到达光速,其动能约为4.5×10^10焦耳,相当于10.7吨TNT当量。当沙子碰击地球大气层时,将会发作必定规划的空中爆破,不会要挟到地上。
要知道,人类曾在太空中引爆的氢弹当量为150万吨TNT,2013年在30公里空中爆破的车里雅宾斯克陨石的当量为45万吨TNT,只需这种等级的爆破才有或许涉及到地上。
不过,这样的一个问题并没那么简略,由于以光速运动的沙子不止那么些动能,它的动能其实是无穷大的。原因首要在于上述经典物理学只适用于微观低速的状况,在挨近光速时,相对论效应会变得十分明显,由此会带来很大的改变。
依据狭义相对论,物体的动能(E)表达式为:
其间m0为物体的静质量,v为速度,c为光速。
假如仅仅涉及到日子中的一些运动现象,速度很低,能够对上式进行泰勒级数打开,然后进行简化:
这样就能得到咱们在中学物理中所学的动能表达式。这个公式很简练,而且在低速状况下精度很高,所以常常被咱们运用。
但假如速度挨近光速,就只能用相对论。从相对论公式中能够正常的看到,一旦沙子的速度到达光速,分母变为0,这在某种程度上预示着沙子的动能为无穷大。如此的动能会把包含地球在内的整个世界炸毁,虽然仅仅一粒小小的沙子。
但在数学中,分母为0,分子不为0的状况是没有意义的。也便是说,静质量不为零的沙子不或许被加快到光速。只需当静质量为0时,表达式变为0/0型未定式极限,这在高等数学中能够求解,所以只需光子这样无静质量的东西才能以光速运动。
不过,当速度满足挨近光速时,沙子的动能也会变得极大。它击中地球时将会释放出巨大的能量,只需超越地球的引力结合能,就能炸毁地球。《三体》中炸毁恒星的“光粒”便是根据这样的原理。
最终,需求着重的是,爱因斯坦的动能公式绝非臆想出来的,而是从狭义相对论中严厉推导出来的,而且世界上的各种粒子加快器都能证明其正确性。除了这个公式之外,闻名的质能方程也是出自狭义相对论,而质能方程的成功无需赘言。