一粒沙子能夠撞穿地球嗎?


在中學物理中,一個物體所具有的動能由如下的公式確定:

Ek=1/2mv^2

可以看到,即便沙子以光速運動,其動能也是很有限的,撞穿地球那是不可能的。

但狹義相對論表明,沙子的速度達不到光速,因為沙子的靜止質量不為零。雖然沙子不能以光速運動,但只要沙子的速度足夠接近光速,它其實是可以撞穿地球的。根據狹義相對論,動能公式的形式如下:

可以看到,但凡靜止質量不為零的物體,只要速度無限趨向於光速,其動能將會趨向於無窮大。如果要把地球撞穿,只要讓物體的動能大於地球的引力結合能即可。地球的引力結合能是有限的,數量級為10^32(單位焦耳)。因此,只要沙子被加速到接近光速的某一程度時,它的動能將會大到足以把地球撞穿,甚至可以把整個地球完全撞毀。

另外,有人可能會問動能公式到底要用哪個?為什麼兩個公式差異這麼大呢?

經典物理學的動能公式只能用在低速的情況,而相對論動能公式既能在低速下使用,也能在亞光速下使用。

雖然兩個公式看似完全沒有聯繫,但通過對相對論動能公式進行泰勒展開,當速度遠低於光速時,這個公式就會退化成經典物理學的動能公式,這也是為什麼這個公式只能在低速下使用。而在速度接近光速的情況下,就不能再使用近似公式,而只能使用相對論動能公式。