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[what if]第20期:钻石Comments>>

发表于 2013-03-06 06:40 | Tags 标签:, , , ,

原作:http://what-if.xkcd.com/20/

翻译:junglerubik

校对: fall_ark

如果一个直径100英尺(约30米)的钻石流星以光速撞向地球,会发生什么? ——8岁的Aidan Smith,由父亲Jeff代提问

任何有质量的物体都无法达到光速。不过也没关系——我们可以让它足够接近光速!

一个物体无论加速得多快,都不可能达到光速。这看起来不太像真的,可确实是这样。我们的宇宙有一些奇怪的规则。不过,一个物体越接近光速,它具有的动能和动量也就越多——而且这些能量可以无限增加。

我们先从低速开始逐渐增加速度,一步一步地弄清楚会发生什么。

一千米每秒

如果我们把流星从100千米高的外层大气释放,它将在没有损失太多速度的情况下穿过大气,并且以大概3马赫(超过一千米每秒)的速度撞向地面。

在下落过程中,它挤压前方的空气。空气受到挤压就会升温(这也是宇宙飞船和流星会产生高温的原因——事实上空气阻力对此并没起到多少作用)。落地的时候,流星的下表面会被加热到500多摄氏度,人们可以看见它在发光。

释放了两分钟之后流星撞击地面,砸出一个直径300米的陨石坑——大概一个学校那么大,并摔成碎片。

11千米每秒

如果我们在离地球更远一点的地方释放这颗太空钻石,那它落向我们撞击地面的速度大概有11千米每秒。这是地球的逃逸速度,任何来自外太空(多亏了重力)击中地球的物体都会至少达到这样的速度。

在11千米每秒的速度下,人们可以看到一颗火球迅速地坠落。撞击产生的能量和一颗小型原子弹差不多,并将砸出直径达一公里的陨石坑——比亚利桑那陨石坑小一点。

72千米每秒

这恰好是环绕太阳运动的天体撞击地球所能达到的最大速度。狮子座流星雨就是以这样的速度撞击地球的。

奇妙的是,物体的速度并不怎么影响它撞击地面后陷入的深度。艾萨克•牛顿想出了一个非常聪明的方法来估计弹丸射入目标停下后能到达的深度。不管弹丸有多快,只要它击中的东西跟其密度差不多,它射入的深度只能达到其体长本身那么多。

当然它还是会溅起一大片东西。以72千米每秒的速度运动的钻石球能炸出一个直径超过两公里的陨石坑,释放的能量相当于最大的聚变核弹。

再往下的情景,就开始比较离奇了。

3000千米每秒=0.01倍光速

这会很糟。在此速度上下几百千米每秒的范围内,空气开始发生核聚变(谷歌这个论文标题就能找到全文)这使得事情变得有点难以预料。这样一来,再加上平凡的等离子体加热(离子态也是聚变导致的,指聚变和高热是两回事),钻石球体在到达地面之前可能已经四分五裂了。

但是这对地面来说并不是什么好消息。球体并不会充分散开,大体上还是像原来一样撞向同一点。撞击释放的能量比最大的核武器都要多一千倍,摧毁任何它砸向的区域。它炸出一个巨大的陨石坑——虽然还不是地球史上最大的。

0.99倍光速

这时候相对论就要来掺一脚了。

在这样的速度下,使球体结合在一起的化学键完全可以忽略不计。这只是一团急速运动的碳原子,因为长度收缩效应压成了一块煎饼(虽然我们没办法用肉眼看到这个效果)。SRIM粒子物理模拟工具能帮助解释一些撞击时发生的事情。

球体内的每一个碳原子携带着大概70GeV的能量。事实上他们运动得太快,都没有办法和空气直接进行聚变——他们仅仅是完全穿过了空气。空气分子穿过球面3米之后才停下来,球体在到达地面的时候比最开始携带了更多的物质。同时球体也在迅速变大。

撞到地面时,它将彻底瓦解,继续向下运动的同时还向外扩散,在岩床中刻出一条圆锥曲线状的路径。上面那个计算撞击深度的等式不再适用于此,因为此时原子们还真就是在“穿透着彼此”了 。

巨大的能量在地壳上炸出了一个非常大的坑,你甚至能看到熔化的地幔。这个过程传递的能量相当于使恐龙灭绝的希克苏鲁伯撞击的50倍——就算没有终结地球上的全部生命,也足以导致一次大灭绝。

我经常觉得物理的一大好处就是你可以将任何数字加上更多的位数之后看看会发生什么,而且没人能阻止你这样干。

0.9999999倍光速

在这样的速度下,每个碳原子携带25TeV的能量,和大型强子碰撞器里的粒子差不多。再快一点的话我们都有可能在撞击的残骸中观测到希格斯玻色子呢。

在这样的情况下,这些东西将以大概相当于(绕着我们转的)月球的动能来撞击地球。这足以砸出一个直达地幔的裂口并撼动整个地壳,将其熔化。这应该可以终结地球上所有的生命吧。

啊哦,喵星人又踩到了我的键盘。我又加上了好几个9。

0.9999999999999999999999951倍光速

史上有记载的最快物体(有质量的)可能是“额滴神”粒子(和上帝粒子没什么关系),这个来自太空的质子在1991年撞进犹他州上方的大气层。它当时的速度达到百分之99.99999999999999999999951的光速,这意味着这一个质子携带着一个棒球的动能。大型强子碰撞器所产生的级联粒子根本无法与其相比。

没有人知道它怎么能运动得这么快。一年之中都很难有几个这样快的粒子撞击地球。它们飞来的大致方向可能存在正在爆炸的星系,但是发生了什么使得它们逃离得这么迅速呢?而它们在到达此处的途中为什么没有变慢一些呢?这都是谜。

让我们赋予Aidan的钻石流星“额滴神”粒子的速度。这速度太快了,我的SRIM软件直接拒绝了模拟请求。然而,我们可以通过观察宇宙射线在岩石中的衰变找到一些头绪。

钻石不知不觉就干掉了一大块大气,然后消失在地壳中。一团等离子体及辐射在撞击点周围扩散开来,于此同时能量分散并穿透了整个地球。40毫秒过后地球相对于撞击点的另一端在一片白炽云雾中向外整个炸开。

这个钻石流星以及它在撞击地壳时所产生的级联粒子四散开来贯穿了整个地球。急剧升温的地球发出的光比太阳还耀眼。

这样的动量足以将地球撞到一个完全不同的轨道上——但是地球已经不存在了。撞击过程中释放的能量比地球的重力结合能还多一万倍,此时这颗行星已被炸成一团向外扩散的等离子体,与此同时,一束格外高能的能量流从撞击点的远端延伸出去,奔向太空。

太阳吸收了许多星尘浪,打了个嗝继续发光。火星和金星的表面被难以置信的高能等离子浪冲洗得干干净净。

在遥远的未来,一个外星天文学家在一个离地球几百光年的世界上皱着眉头看着一个发出哔哔声的探测器,很费解发生了多么凶残的事情才能让一个粒子运动得这么快。

关于本文

What if 系列:https://songshuhui.net/archives/tag/what-if

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31 Responses to “[what if]第20期:钻石”

  1. hellok说道:

    一个地球的天文学家在皱着眉头看着一个发出哔哔声的探测器,开始YY。
    很费解发生了多么凶残的事情才能让一个粒子运动得这么快。
    其实只是线松了。呵呵

  2. zzzevazzz说道:

    黑暗森林,光粒打击

  3. 圆月弯刀说道:

    那时就不用花大价钱买钻戒了

    • 全盛钟说道:

      我要一个玻璃戒指,要是让我发现是钻石的,我T
      M整死你

  4. jinz说道:

    为什么是钻石小行星,难道在极高速度进入大气层的高温条件下不会烧掉吗

  5. K.L.说道:

    看来光粒打击是真的了。有点疑问,“光粒”穿过地球,能量吸收率和光粒体积没有关系么?难道说即使一个质子只要有足够动能(比方说10^100V)也能把地球气化了?

    • ives-luuey说道:

      不可能的,粒子不管有多大动能,但是他都是有能量溢出限制的。
      当一颗质子以三百个九的接近光速穿过你的身体的时候,你依然不会有任何感觉。

  6. 六月说道:

    会化为灰烬的,钻石到一定的温度也会燃烧

  7. 孝正川说道:

    果然还是二向箔靠谱啊

  8. 俞登说道:

    奇妙的是,物体的速度并不怎么影响它撞击地面后陷入的深度。艾萨克•牛顿想出了一个非常聪明的方法来估计弹丸射入目标停下后能到达的深度。不管弹丸有多快,只要它击中的东西跟其密度差不多,它射入的深度只能达到其体长本身那么多。

    ===这段博主应该是理解错误了,它有两个前提:弹丸为球形,弹丸材质与目标相同。博主套用在钻石击中地球,显然是以为适用于任何条件了。实际上还有个隐含的条件:在火炮的射速范围内,因为这是装甲舰时代火炮口径与装甲厚度竞争得出的结论。

      博主还忽略的部分:流星在大气中穿行,因大气的阻力会减速很多。这是一;二是以一千米/秒以上速度在大气中穿行时,钻石表面尖端部分温度能超过500度,如果是11千米/秒肯定会烧掉一部分,剩下的部分也会因高热在接近地面时爆裂成无数大小不等的碎块,这下坑就没您估算的大了。

    • jack说道:

      ===这段博主应该是理解错误了,它有两个前提:弹丸为球形,弹丸材质与目标相同。博主套用在钻石击中地球,显然是以为适用于任何条件了。实际上还有个隐含的条件:在火炮的射速范围内,因为这是装甲舰时代火炮口径与装甲厚度竞争得出的结论。

      ====You are wrong about this. Check out the link given in the article. There is a nice wiki page on this.

      • fff说道:

        翻译:你错了。查看文章中给出的链接。上面有个不错的维基页面。

  9. sdk说道:

    这个0.9999999999999999999999951倍光速直径30米是不是到黑洞级别了?

  10. zty说道:

    让质子达到这种速度,质子本身还能存在?

  11. Michaelove说道:

    高一看这个还是有点费劲啊。

  12. 应无梦说道:

    如果条件成立,那么会有两种可能:一是当其进入大气层后由于摩擦温度逐渐升高,直至达到燃点开始燃烧,由于材质的原因燃烧部分不会超过一半,最后坠落地面,但由于是碳结构所以表面会呈现黑色,并有较其他陨石更长的高热时间;二是,前期情况基本不变但会在坠落前分解为许多碎片。我个人认为有钻石质地的陨石不会发生爆炸,因为一般的陨石爆炸是由于内部结构疏松而导致积压发生爆炸,但钻石质地的陨石结构紧密所以由此推测它爆炸几率很小,如果这颗陨石出现在城市其威力足以毁掉一座50万人以下的城市,如果落在日本就会引起全面的地震和海啸大爆发,其次级伤害够日本喝一壶了。

    • xsc93说道:

      事实上以那么快的速度,还没等加热到足够温度就已经撞到地球了,并且不是空气摩擦生热而是压缩空气生热。

  13. 马上到说道:

    刘老师怎么会知道光粒打击的?真有三体?每天每秒都有N多中微子在穿透地球却没把地球干掉真是幸运啊!

  14. 倪雪锋说道:

    地球上的二氧化碳又增多了……

  15. Illusiwind说道:

    墙裂建议xkcd的what if节目组改名为WTF………………

  16. honset说道:

    “额滴神”粒子武器产生了,以后就不需要什么导弹了……对敌国战争直接用“额滴神”粒子武器了。

  17. ROOT说道:

    如果物质的速度达到了0.9999999999999999999999951会不会以波的形式穿过地球,可以类比于波尔理论 不是我的菜 我不吃(吸收光谱) 这样 地球又安全了。。。

  18. flash6说道:

    在宇宙中,人自诩万物之灵,其实是那么滴渺小。

  19. 上官幽冥说道:

    挺美的

  20. 派大星他哥派巨星说道:

    不是直接变黑洞摧毁太阳系吗?

  21. 名凡妤说道:

    初一生默默地看完了。

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