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见闻记录|我的教育教学策划724：（9.17）思维训练：一根针以光速撞地球，会发生什么？

_原题为 我的教育教学策划724：（9.17）思维训练：一根针以光速撞地球 ， 会发生什么？
我的教育教学策划724：（9.17.）思维训练：如果一根针以光速撞击地球 ， 会发生什么？
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一根针非常细小 ， 但它依然有着静止质量 ， 根据爱因斯坦相对论来说这根针无法达到光速 ， 理论上它只能无限接近于光速 。 有静止质量的物体达不到光速这是理论上的限制 ， 并非是技术上达不到 。 其次如果想实现这样的情景 ， 一个高速飞行的针穿过地球 ， 那么首先就需要保证这根针在大气中高速运动 ， 不会被“烧毁” 。
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在航天探测上人类已经实现了载人航天 ， 那么当宇航员从太空返回的时候 ， 需要经历大气层的摩擦过程 ， 这个过程会加热返回器 。 作用机制分为两方面：首先是物体与空气之间摩擦生热 ， 但摩擦生热的影响只占小部分；其次就是高速运动的物体会压缩前进方向的空气 ， 对气体做功最后都转化为热量 ， 热空气流过物体表面 ， 一般材料都会被融化 。
第二点举个例子大家就都清晰了 ， 在家里给车打气的时候用的是“气管子” ， 当不断的压缩作业中 ， 该设备就会发热 ， 这就是压缩空气的时候实际上是在对它做功 ， 最终就转化为热量 。 那么一根针尤其远超声速运动 ， 可能起步的瞬间就“烟消云散”了 ， 在这里只能假设这根针是未来材料 ， 可以抵抗高温不惧怕摩擦 。
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这两个前提都解决了 。 所有这些都成为理想化的模型 。 首先 ， 针无限接近光速 。 然后 ， 根据狭义相对论的质量增长效应 ， 指针的相对论质量接近无穷大 。 当物体的速度接近光速时 ， 或者在亚光速 ， 经典力学的公式不再适用 。 相对论的提案几乎修改了所有的经典物理公式 。 因此 ， 必须用相对论修正公式讨论接近光速的针 。
在常规低速世界中物体的动能公式为二分之一质量乘以速度的平方 ， 但是接近于光速运动的时候 ， 如果还有正常的公式 ， 那么最后的误差就会很大 。 这个时候就需要更加准确的公式来进行计算了 。 所有的经典物理学公式都是在低速世界中的近似计算 ， 而至于亚光速世界就不是经典物理学能管的事情了 。
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当公式中的V无限的接近于光速 ， 那么最终这根针的动能就会非常的大 。 摧毁一个地球不在话下 。 尤其是有静止质量的物体不断的加速 ， 相对论质量不不断的增大 ， 理论上来讲很可能这根针会形成一个黑洞 ， 之后地球直接被吸进黑洞中 ， 变成能量的形式 。
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一个物体的运动速度越大 ， 其动能就越大 ， 撞击到人的话对人的伤害往往就越大 。 宇宙中物体的速度极限是光速 ， 要将一个物体 ， 哪怕是质量很小的一根针加速到亚光速也需要惊人的能量 。 经常会有人问这样的问题：一根针以光速撞击地球会有什么结果？
首先需要知道 ， 针是有质量的物体 ， 根据爱因斯坦的狭义相对论 ， 物体的速度越大 ， 其质量也就越大 。 当物体的运动速度趋于光速时 ， 质量会趋于无穷大 。 将物体加速到这种程度需要的能量会是无穷大 ， 故不论是一根针 ， 还是一个质子、电子 ， 都不可能以光速运动 。
如果一根针以非常接近光速的速度从宇宙中飞来去撞击地球呢？这根针携带的能量与其具体速度有关系 ， 如果针的速度是光速的99% ， 针携带的能量大约是其静止质量的7倍；如果针的速度是光速的99.99% ， 能量大约是其静止质量的71倍；速度进一步增大为光速的99.9999% ， 能量就能超过其静止质量的700倍 。 可见在非常接近光速的程度 ， 速度的稍微变化就能很大程度地影响能量 。 像大型加速器 ， 基本不会说能够将电子或质子加速到光速的百分之多少 ， 只会说能够将电子或质子加速到多高的能量 。
沙子也好 ， 针也罢 ， 它们都是宏观物体 。 宇宙中尚未发现有宏观物体能够以接近光速的速度到达地球附近 ， 一根针以光速的99.99%撞击地球的话 ， 假设针的静止质量是0.2克 ， 这样这根针携带的能量就高达1.27乘以十的18次方之多 。 这个能量相当于两万多枚广岛原子弹爆炸释放出的能量 ， 或者数枚沙皇氢弹爆炸释放出的能量 。
也许有人会以为这根针以这么大的速度撞击地球肯定会穿透地球 ， 只会将很少一部分能量留给地球 。 其实并不是这样 ， 这根针很可能在地球大气层中就变为一束撞向地球的高能粒子 。
一个直径数米的小行星进入地球大气层中可能会被烧尽 ， 你可以说这是由于小行星和地球大气分子相撞的结果 。 亚光速飞行的针与地球大气层中的气体分子的撞击会更加剧烈 。
组成物质的原子是由原子核和核外的电子组成 ， 原子核集中了原子的几乎所有质量 ， 并且原子核的直径会在原子直径的五分之一以下 。 这样电子的活动空间显得非常“空旷” 。 这根针以那么高的速度撞向地球 ， 地球大气层中的气体分子会不断和它相撞 。 由于电子的质量远小于原子核的质量 ， 电子首先会被撞得四分五散 ， 而针里的原子核还相对集中在一束中继续向地球奔去 。 在继续向前飞奔的过程中还会有气体分子的原子核不断和针带来的高速原子核发生碰撞 ， 原子核碰撞的碎片也会四处飞奔 ， 并且有可能继续撞击其他原子核 。 在一次次的碰撞中 ， 那根针最终散落成一堆亚原子粒子 。


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