1个质量不大的物体加速到0.99C以上击中太阳,能否造成很大破坏?

就是三体小说里的描写,

http://weibo.com/1459358890/BFFh1e7VR 看到有微博表示怀疑, http://songshuhui.net/archives/82932 不过有一期what-if 里曾说过1个0.9C速度的棒球破坏力也相当于核弹

那么有一定质量的物体,比如1个人的质量 加速到0.99C以上击中太阳,是否能造成很大破坏?

如果想要造成很大破坏,速度需要有多接近光速?

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22个答案
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Ent古生物学博士生,科学松鼠会成员

2015-01-16 12:56

这个问题其实是这样的:

在三体中,对光粒的设定如下

“光粒虽然体积小,但由于十分接近光速,它的质量被相对论效应急剧放大,击中目标时已经达到187J3X1恒星的八分之一,结果立刻摧毁了这恒星。”

破桥老师微博对此的质疑在于,一个物体的静质量不变(这是对的),所以只会高速打个对穿。虽然杀伤力还是很大,但和恒星比起来根本不算什么。(和相对论棒球的场景不矛盾,那个棒球只不过炸掉了半个城区而已。)


的确大刘原文表述不清,静质量不会变,增加的只有相对性质量(能量密度);而相对性质量是个比较乱的名词,涉及很多纠结的细节。

但在这个例子里,比较明确的是,相对性质量也会产生相当于引力的效果。不然的话,光的静质量为0,全都是相对性质量,难道它就不受引力场作用了吗?事实上光在引力场里是会弯曲的。

所以这个光粒能够产生和恒星同数量级的引力效果,而不会简单地打个对穿,至少会严重地撕扯恒星内部结构。

但也有一个不利因素,就是它离光速太近,和恒星作用时间可能会太短。它能把多少能量传给恒星,能不能出得来,这都不好说。我的直觉是它还是能摧毁恒星的,但这得算。





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Sheldon理论物理博士,科学松鼠会成员

2015-01-16 14:42

是否会造成很大破坏我解释不了。我可以介绍一下1. 运动的物体会不会产生更强大的引力? 2. 光粒的能量是否可以无限增大?

1. Am. J. Phys 1985年有篇论文假设有一个大质量物体M,以极高的速度掠过,对比较远的地方一个小质量探测粒子m造成了影响。速度接近光速时,需要引入狭义相对论;高速运动的物体的动能和动量都产生引力,需要引入广义相对论。综合两个理论,论文认为大质量物体产生的引力变大了。这样的引力相当于在牛顿力学中,一个物体的引力质量变大成了:

(此处是一个近似公式)

但是,在狭义相对论中,一个高速运动物体的“动质量”是

(此处是另一个公式)

可见,前者是后者的两倍。我个人的解释是,高速运动的物体的“动质量”产生引力,动量也产生引力。你可以粗略地理解为相对论买一赠一,产生了双份引力。

但是,以上计算不能应用于光粒撞击太阳,因为太阳的质量太大,不属于小质量探测粒子。而且,这些计算没有考虑引力辐射的相互作用。所以,我们不清楚在太阳眼中,高速飞来的大质量物体会产生多少引力。

2. 从上面的公式可以看出,速度v越接近光速,物体的“动质量”就越大。可以无限增大下去吗?也许不可以吧。在宇宙学理论和观测中,高能宇宙射线满足一个Greisen–Zatsepin–Kuzmin极限。也就是说,单个宇宙射线粒子的能量不能太高,不然就会与宇宙中无处不在的微波背景辐射光子发生相互作用,产生别的粒子,所以跑不了多远。跑不了多远的意思是不可以超过1.6亿光年。当然,对于《三体》的故事背景而言,这点儿距离似乎够了。

但是,就算在短距离内发射一个粒子,粒子的能量也最好不要随便超过普朗克能量10^19GeV。超过这个质量需要引入量子引力效应,大刘可不愿意把讲故事搞得那么复杂。那么,我们就假设1个粒子(比如质子)的能量刚好等于普朗克能量吧。在这个基础上,质子的能量从1GeV提升到10^19GeV,增加了10^19倍。

太阳质量的八分之一是2.5×10^29 kg,所以,要想搞出这么大的动静,“光粒”的初始质量至少是2.5×10^10 kg,也就是2千5百万吨。不管“光粒”是啥做的,估计要花不少钱。

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这个可以很方便地用Wolfram|Alpha引擎算出来

http://www.wolframalpha.com/input/?i=baseball%20energy%20in%200.99c

差不多相当于太阳0.2纳秒的输出,或者目前全人类1.6小时的能量消耗,或者2000万吨TNT的能量,或者一颗小核弹的能量。

棒球那个杀伤力那么大另一方面原因是发生聚变了

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ZZ-ZZZ机械工程硕士研究生

2015-01-16 02:02

楼上已经回答完成了。不过只要在0.9后面再加9动能是可以无限增长下去的。大约算了一下要让一个人的质量膨胀到太阳质量的1/8大概要0.99…(50多个9)…99c吧。反正大刘也没说到底是由多接近光速。

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我觉得这个问题的答案和讨论里充满了各种对“等效原理”和“相对论原理”的误解和乱用...鉴于非常容易陷入科班和民科之间的对掐以及三体粉与黑之间的对骂,又鉴于本人理论水平十分有限,我没法回答问题。但是打算捣捣乱,针对大家回答反过来归纳提出几个问题。这些问题的答案可能“是”可能“否”,也可能问题本身的提法就是不成立的,我觉得考虑一下这几个问题本身就是件有意思的事情..

  • 如果把设定换做是太阳以0.999...c的速度撞向一个小质量光粒,那结果是否不同?两种设定的区别在哪里?
  • 高速运动物体具有相对论质量,那增加的“动质量”是否和一般的惯性质量完全相同?如果不同的话区别在哪里?
  • 如果把有一定静质量和体积的较小的物体不断加速,使其相对论质量不断增加,那么相对论质量增加到一定程度后会不会形成黑洞?

这里只随便列了几个引力和相对论相关的,能量传播什么的又是另一类问题了...其实这些问题本来就是那么乱,我敢说,即使是从事理论物理研究的人员也常常会在争论中犯错误或被摆一道。:p


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来粗略比较下94年的“苏梅克-列维9号”彗星与木星相撞的能量吧。数据就用维基该词条中的“多块碎片的撞击威力中,以碎片G的威力最大。它于7月18日07时32分 (UTC)撞向木星,威力达六万亿吨TNT炸药(其当量相当于全球核武器储备总和的750倍),所造成的疤痕比地球直径长。”

1吨TNT约等于4.2千兆焦耳,六万亿吨也就是2.52x10^22焦耳,若想用速度达0.99c的物体产生同样的威力,我们先假设撞击后物体的质量全部转化为能量来用用质能方程估算下,m=2.8x10^5千克。再换算成静质量

=3.95x10^4千克,(╯‵□′)╯︵┻━┻什么鬼,和一架小型客机差不多重的东西加速到0.99C,时空穿越不再是梦!这都不是重点,重点是这么“大质量”的东西只给木星砸了个永久性疤痕,用小质量的东西你觉得太阳会有多大事?

南半球的几个棕色的斑就是撞击的疤痕,图片来自维基该词条的英文页

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光粒本来就是一个文学想象嘛。科幻小说家写文章的局限性不是他自己的想象力,而是普通读者的理解力。小说家解说光粒的厉害可以靠只要达到渲染效果就行,大致相当于评书里对大侠招式的解说,考虑那么严格没意义。他毕竟不是理论物理前沿的科学家。不信去看他那个用核弹的光辐射当波峰制造次声波的想法就知道了,稍有一点常识的看了都不会相信的

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恩,来算算

0.99C,加速光粒从0到0.99C,因为加速的距离不可能太长,所以必然加速度非常大。那么光粒必须足够坚硬才能保持形态不在加速中解体。那么太阳作为个气态星体,对如此硬的光粒应该改变不了它的形态,光粒会穿过太阳。以光球层算太阳直径好像是1390,000KM吧 计算时间的话光粒取近似300,000KM。4.6秒

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谁撞是谁知道。。。我就是路过。。不要打我。。。

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作者只是想表达我们都是虫子。而已。

他自己也是虫子。

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根据太阳半径,接近光速,穿过太阳时间不会超过5秒;太阳密度非常小,物体并不能靠撞击,转化动能对太阳造成影响。所谓什么TNT当量并没有什么意义。

主要还得靠的引力,将太阳撕扯开来——类似于洛希极限的原理,但是又有区别。

撞击物体半径比太阳小,但质量可以比太阳大很多。理论上只要足够接近光速,物体质量会变得无限大。

虽然接触时间短,但至少不会少于4秒(实际上还可能不止),只要引力足够大穿过太阳时,能够携带大量物质走,加上巨大的潮汐力落差,极有可能把太阳撕碎。甚至撞击产生黑洞也不是不可能。

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还有一个问题啊,假设有一个速度为光速的飞船,飞到4光年外的地方,用的时间是4年吗,地球上的4年?

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支持者: xcrv2000

我....我就来凑个热闹[别打我!]

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支持者: 林讷

对这个问题很感兴趣,为此还查了些介绍高能宇宙射线的文章,特别是
http://web.phys.ntnu.no/~mika/notes.pdf
发现对这个问题的理解很有帮助。我不是科班出身,无法说得很准确,也可能有涉及未知物理的因素未作考虑,只想在此抛砖引玉一下。

不管多小的物体,只要其速度足够接近光速,其动能是可以任意大的。那我们干脆极端点,以撞击目标为参考系,保持动能一定(比如一颗子弹的动能1e22 eV,一颗毁灭性陨石的动能1e42 eV,一颗恒星的质能1e66 eV),把它们全部集中到一个粒子(例如光子、电子、质子,中微子之类另当别论)上,让它在初始时对准目标中心运动,看看会发生什么。我们这里就不考虑这个初始状态怎么达到了。

这样的粒子基本上就是超高能宇宙射线(事实上实际观测到的最高能宇宙射线的动能在1e20-1e21 eV,距离子弹的情况也不远了)。如上述pdf的5.5节所述,这样一个高能粒子会和路径上与其足够接近的其它粒子发生相互作用(具体要多近取决于相互作用的散射截面,一般在原子核大小的量级),每次都会把原来集中在一个粒子上的动能分散到生成的多个粒子上,也会有一部分用来生成新的正反粒子对。经过几十或几百轮这样的相互作用,原来的动能就会被分散到以指数速率增多的粒子中,最后就变成了一大团四处乱飞、能量普通的粒子,单个粒子的动能在GeV量级以下,相应的速度开始明显低于光速。总能量是守恒的,原来单个粒子的初始动能,有一部分可能中途被用来生成正反粒子对或介子等不稳定高能粒子,但能量级别降低后反物质又大多会与目标中的物质相互湮灭,不稳定粒子会衰变,核聚变/裂变之类稳定或长寿命粒子之间的变化在短时间内大概发生不了多少,估计多数还是会变回动能;这些仍以动能形式存在的能量,有些可能属于朝远离目标的方向飞行的粒子,有些可能属于中微子之类不容易与其它物质发生相互作用的粒子,但直观看来大概也有相当一部分(比如百分之几十)会变回动能。

所以,如果上述过程主要发生在目标附近(目标是物体的话,发生在物体中;是地球的话,发生在大气层之内),估计其破坏力会跟同等动能的子弹/陨石或同等当量的核弹差不多(陨石和核弹也一样会把一部分能量辐射回太空损失掉的)。那一堆动能到了GeV量级以下的粒子,我们在普通宇宙射线和核爆炸中都见过,它们在大气、地壳或目标中其它物质中运动时,能量会迅速分散给周围更多的粒子(也就是变成热),最后形成火球、弹坑之类司空见惯的东西。当然,难免也会一点长寿命同位素而造成核污染,不过应该没有同当量的核弹来得严重,在能量分配上更不太会占据主流。

我们接下来需要确定的,是单个超高能光子/电子/质子的穿透力有多大。太大(相互作用弱)的话可能直接穿透目标而未能把多大比例的能量传给目标;太小(相互作用强)的话就相当于武器的射程太短,除非在很近处使用,否则离目标很远时就分散成很大一团东西,破坏力过于分散甚至完全错过目标,自然也不行。这里需要穿透的,在目标附近主要是质子中子电子构成的普通物质(可能有不同程度的电离而形成等离子态),而在到达目标之前的宇宙空间中,由于距离很长但普通物质密度很低,也要考虑微波背景辐射光子的影响(不过其实还有中微子和暗物质吧……)。

高能电子与普通物质的相互作用中,导致其能量分散的最重要原因是高能电子与原子核电场相互作用,自身改变速度并将部分能量以光子形式放出;而对于高能光子,最重要的则是在与原子核电场的相互作用中生成正负电子对并将能量分散给它们。假定有关这两个过程的已知结果可朝高能端无限推广,则如上述pdf 5.5.1节或http://en.wikipedia.org/wiki/Radiation_length 所述,不论粒子初始能量多高,其穿透力均可用Radiation length的概念来描述,大体来说就是可穿透的距离(以能量分散e=2.718倍所需距离为准)跟物质密度成反比,距离与密度的乘积(Radiation length)在空气中为37g/cm^2 = 370 kg/m^2(乘以重力加速度g的话可以得到相应的气压3.7kPa,也就是说能量分散e倍大概需要从太空降到海拔十几公里的平流层,穿过整层大气大概就分散得差不多了),在材料包含铅、铀等重元素时小些。高能粒子为电子和光子的情况只是略有差异,质子复杂一些。总之高能光子和电子对物质的穿透力应该跟一般核辐射里的gamma射线(比如动能在1e6 eV量级的光子)类似,比子弹强些,也许勉强能穿透大气层,衣服和人体也会被穿透(还是会吸收相当一部分能量),但几米或几十米厚的钢板/土壤就足以使其能量充分分散,使其影响接近于同等能量的常规武器。高能质子的话,质量重了很多,还有强相互作用的影响,不过猜想多半也就比电子/光子强或弱不超过几个数量级吧。

宇宙空间中,主要由质子中子电子构成的普通物质的密度是极低的,之前那个370kg/m^2需要根据元素分布和电离比例作些修正但在数量级上也差不了太多,如果不靠近某个星体,恐怕穿越整个可见宇宙都不会让高能粒子运动完成一次明显影响运动方向(从而错过原有目标)的相互作用,更无法让能量得到几个数量级以上的分散(如http://en.wikipedia.org/wiki/Observable_universe 所述,可见宇宙的直径约8.8e26 m,普通物质的平均密度是4.08e-28 kg/m^3,两者相乘才0.36kg/m^2),在此期间宇宙膨胀对能量的影响还大一些。不过,高能光子/电子/质子还可以跟微波背景辐射光子相互作用产生粒子对而使能量被分散,这个影响可以更大,如上述pdf中Figure 5.4所示。微波背景辐射光子的动能极低,大约在1e-3 eV的量级,而通过质心系的换算又可以证明,碰撞所能生成的最重粒子对的质量取决于两个粒子动能的几何平均,例如生成静质量1e6 eV/c^2的正负电子对需要拿动能在大约1e15 eV以上的高能光子来碰撞,能量比这最低门限略高一点(所谓“共振”)时生成粒子对的概率最大,更高时又会有所降低,所以Figure 5.4在1e15 eV处(对应于电子)和1e21 eV(我猜可能对应于各种静质量在1e9 eV/c^2量级的粒子,包括质子中子和各种其它重子和介子什么的)两个地方出现了两个峰,高能粒子的能量在此值附近时与微波背景辐射光子碰撞产生粒子对从而分散能量的概率特别大,因而在能量被分散前能自由传播的距离就特别短。高能粒子为质子的情况也差不了多少,如pdf的6.1.1节所述,由于质子质量较大,生成正负电子对的能量门限从光子的1e15 eV提高到了1e18 eV,且由于每生成一次电子对损失的能量比例小而使能量分散效果打了折扣,但在大约1e20 eV以上仍然会多出通过pi介子(静质量约1e8 eV/c^2)损失能量的机制,传播距离也会减小(这也就是@Sheldon 同学所说的星际宇宙射线能量的GZK上限)。不过,在目前已知的范围内,高能光子/电子/质子在宇宙空间中的传播距离(射程)长不过可见宇宙的大小,但再短也有与银河系相当的尺寸,估计即使高能粒子的能量进一步增加,射程也不那么容易缩短到光年级别以下吧。虽然细节没推导过(大概就是费曼图那一套),但看pdf上的(6.2)式,如果高能粒子的静质量固定而动能趋于无穷,它与微波背景辐射光子碰撞产生质量越来越大的粒子,则在共振的能量级别上第三个因子达到最大为无量纲常数,同时第一个因子也是无量纲常数,而第二个因子会随能量增大而减小,因此相互作用的截面也会减小,而微波背景辐射光子的数量是固定的,该相互作用对高能粒子能量分散的作用应该会比之前电子和pi介子的情况更小(也就是在Figure 5.4这样的图上产生的传播距离特别小的“共振峰”更不明显),或最多大不超过几个数量级(考虑到电子和pi介子情况下有几个比较小的无量纲常数,它们在别的情况下也许能接近1),才比较可能。当然,高能情况下这些公式的形式出现很大变化的话,另当别论。

这样看来,这类基于单个高能粒子的武器,配上通常子弹的能量在地球上当枪使的话跟枪的性能大概也差不多,配上陨石级的能量到大气层外发射出去的话多半也就是直达对方星球(本来也不会太远吧,不然几辈子都看不到结果也没意义)然后炸成一个与其动能相当的大火球,除了速度比较快,其它就没什么特别的了……

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三体一部比一部软,第三部基本上纯软科幻了,都是一些不能说没有,但是达到描述中的效果的可能性较小的东西。

这么说吧有能力把恒星1/8质量压缩成一个小光粒,还让他飞到光速,肯定会有更简单的毁灭行星的方式。。。我们的原子弹也并没有很大质量对不?

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太阳他老人家这么大一坨等离子体,那丢个什么过去能不蒸发了啊

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其实因为速度大到一定的程度,作用时间变得非常短,如果它的体积不是很大的话,就算质量很大也是一晃就过了的,不会造成什么大的影响。

一个物体穿过一个星球对它造成的作用力相当于这个物体自身受到的阻力,这只跟这个物体本身的形状和材质有关。如果这个物体很小很小,它可能直接就穿过了一个恒星。质量越大,它穿过这个恒星的速度变化量越小。

中学物理“子弹打木块”模型中也看出,子弹对木块造成的影响并不是与子弹质量成正比的。

3 7

看到这个问题突然间想到一个段子: 一群博士后在讨论一滴雨水从很高的地方落下来会不会砸伤人,讨论很激烈,最后我看不下了发了句:”你们淋过雨吗“/然后我就被踢了。哈哈哈哈哈


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前面有很多专业大神,用“神族的语言”(就是我等凡人看不大懂但真心相信的)解释了《三体》小说中“光粒”的难以实现,我相信他们都是诚实和认真的,所说的内容也都应该相信。

但这与小说无干。

在非洲的某些原始部落里,酋长们对卫星电话的传说非常怀疑,因为就他们的经验而言,要想把信息传播出几座山那么远,就需要整张牛皮做成的大鼓,这已经是击鼓传音的极限,如何能够想象出让鼓声传遍全球(假设酋长们懂得日心说,也知道地球是圆的)的巨大的鼓呢?岂不是要把海洋都变成草原才能养育出的庞大牛群也无法实现的工程吗?那面鼓难道要比天高?用最粗的大树做成鼓槌也配不上这面“天鼓”,所以酋长们琢磨了半天,还是摇了摇头。
至于“电磁波”,酋长们真的没听说过。

在一部科幻小说里对于那些由未来科技发展才能决定是否实现的内容,做一些建立在现有技术水平上的评判,本就是缘木求鱼,如何能得出有意义的结论?
所以,这样的讨论只是博一笑而已,和那部小说一样,也不可当真。

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毛骡金属材料学博士

2015-01-16 06:23

撑死相当于拿激光照太阳的效果吧?我觉得没啥影响。恒星级别的天体,根据大大们吓唬我们用的数据来看,基本不用点大质量(足以扭曲恒星引力的质量)的物体去撞是没啥效果的。

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