如果1顆質量為10g的子彈真的能加速到光速,那麼別説是地球,就連整個太陽系都會被摧毀。但是,根據愛因斯坦狹義相對論,質量為10g的子彈,並不能加速到光速。那具體是咋回事呢?
今天,我們就來聊一聊這個話題。
狹義相對論
我們知道,物理學其實分為經典物理學和現代物理學。其中經典物理學指的就是以牛頓力學和麥克斯韋方程為基礎的科學理論。
而現代物理學這是以相對論和量子力學為基礎的科學理論。
牛頓力學描述的是宏觀低速狀態的物體運動情況,而相對論則描述的是引力大,或者速度快(接近於光速)的物體運動情況。
在牛頓力學描述情況其實是相對論在宏觀低速下的近似解,也就是説相對論的適用面更廣。在相對論的框架下,我們可以得到這樣的結果,那就是物體的質量隨着運動狀態的變化而變化。你可能要疑問了,牛頓力學可不是這麼説的。實際上,宏觀低速也有質量變化的效應,只是微乎其微,在牛頓時代根本沒有辦法測到,所以牛頓才會覺得質量是不會隨着物體運動狀態變化而變化的。
根據相對論,我們計算出,運動物體的質量,下面就是方程。
通過這個方程,我們就可以得到這麼一個結果,那就是隨着速度越接近於光速,物體的質量就膨脹得十分劇烈。
當物體的速度大概光速的99%時,這個物體的質量就會膨脹到原來7.07倍,10g子彈,就會變成70.7g的子彈;
當物體的速度大概光速的99.9%時,這個物體的質量就會膨脹到原來22.4倍,10g子彈,就會變成224g的子彈;
當物體的速度大概光速的99.99%時,這個物體的質量就會膨脹到原來70.7倍,10g子彈,就會變成707g的子彈;
當物體的速度大概光速的99.999%時,這個物體的質量就會膨脹到原來227倍,10g子彈,就會變成2270g的子彈;
當物體的速度大概光速的99.99999999%時,這個物體的質量就會膨脹到原來70711倍,10g子彈,就會變成707110g的子彈;
所以,你看越是接近於光速,這個質量膨脹的效應就越劇烈,也就是質量越大。而我們要知道的是,當物體質量越大,要給它加速所需要的能量就越大。而當物體要達到光速時,質量就會膨脹到接近於無限大,也就是説,所需要的能量其實就無限大。
因此,我們沒有可能把一個有質量的物體加速到光速,因為即使是耗盡宇宙的能量,也只能讓它無限接近於光速,而達不到光速。
如果達到了光速
為了能夠繼續討論下去,我們假設我們可以讓這10g子彈的速度達到光速。那這會咋樣呢?
我們可以這麼説,它在宇宙中可以橫行霸道,指哪打哪,摧毀整個太陽系都不在話下。那為什麼會這樣呢?
手槍打出的子彈之所以威力巨大,本質上就是因為子彈跑得快,這個速度大概在300~500m/s,快的也有到800多m/s。
而光速飛行的子彈,質量是無限大,其次光速是3*10^8m/s,是普通子彈速度的10^6倍左右,所以,它的能量也是無限大的,破壞力是無法估算的,當它碰撞到一顆天體,這個天體是會被它直接毀滅的。
劉慈欣有一部的科幻小説《三體》當中,就寫了這個知識點。他在書中描述了一個比地球文明程度更高的宇宙清潔工,這個清潔工也被稱為歌者文明。這個歌者文明後來摧毀了地球,而歌者文明最常用的手段叫做質量點。啥意思呢?
其實説的就是速度極度接近於光速的小體積物體。歌者文明把它扔向一個天體,這個天體就會被摧毀,這裏運用到的就是狹義相對論中的質量膨脹效應。
可我們要知道的是,歌者文明使用的質量點還只是接近於光速,而不是光速。因此,當子彈被加速到了光速,它的威力是要遠遠大於質量點的。
相對論會失效
但如果真的把子彈加速到了光速,客觀地説,這就意味着相對論錯了。相對論的地基是光速不變原理和相對性原理。通過光速不變原理可以推導出物質、信息、能量傳遞的極限速度是光速,而帶有靜止質量的物體是不可能加速到光速的。子彈是有靜止質量的,如果真的加速到光速,那説明光速不變原理錯了,那相對論也就錯了。
但如今看來,這100多年來的各種驗證實驗已經驗證了相對論無比正確。因此,子彈是不可能被加速到光速的。