一根针如果以光速撞击地球，会发生什么？

本文来自微信公众号：瞻云（ID：zhanyun2028），作者：瞻云，题图来自：《月球陨落》

当这根针的速度达到0.999999999999999999999999999999999999999999光速时，地球将会被彻底毁灭，再也不复存在。

以下是计算过程：

我们姑且认为所谓的针是缝衣针。

一根长5cm左右，粗0.1cm左右的针（针数据可查证），体积不高于：

已知铁的密度为：7.86g/cm³，可得这根针的质量不高于0.3g。

由于针有大有小，我们姑且认为射向地球的这根缝衣针稍大，质量正好0.3g，即：3x10^-4kg。

光速：299792458m/s。

根据狭义相对论，易知，近光速时针的动能为：

当为（1-1/10²）光速时（即99%光速），动能为：1.64×10¹⁴ J。

人类当前一秒钟消费的能源约为2×10¹³ J，尚远不及这根针蕴含的能量。

已知一吨TNT爆炸产生约4.2×10⁹ J的能量，可知，这根针的总能量相当于3.9万吨TNT，是小男孩核当量的2倍多。

近光速时，铁原子撞击到空气分子的时候，氦、氧元素会发生聚变，温度高达数千万，甚至上亿摄氏度。在我们这个宇宙中，任何物质在这样的核爆中心，都会直接等离子体化，更不用说铁原子了。等离子化后的铁原子依旧是近光速，与空气分子撞击，会形成巨大的冲击波，类似于这样：

图源：《哥斯拉》

当然，这个图和实际效果会有差异，能理解就行。

所以，只要还是宇宙中的物质，在近光速下，就不会存在能贯穿地球的。即便成了粒子形态的铁原子云，也不可能穿透地球，又不是中微子。

当然，也有人认为，铁原子等离子化之后，威力就消失了，基本的质能守恒呢？由于铁原子撞击空气会产生的聚变，实际爆发出来的总能量是高于针的总动能的。

当然，也有朋友把针理解成了不会破坏的刚体。为了满足大家的探知欲望，我再在后面补充。

由于速度过快，这根针在撞击到大气之后，大气分子就会发生核聚变。同时与空气撞击产生的强大热能，也能令针中的铁元素蒸发成气体。近光速的铁元素，继续撞击空气，产生强大冲击波。

虽然通常认为大气层厚度1000km，但实际大气最外面的散逸层厚达3000km。

由于距离地表太远（地球半径6371km），且核爆持续的时间极短，人类能看到1000km高空的能量冲击波，但还不至于受到生命威胁。

空气总质量高达5×10¹⁸ kg，按照平均2~3米的风速，总动能便高达4×10¹⁹ J，钢针的能量冲击，大约是空气总动能的二十多万分之一。

当为（1-1/10⁴）光速时，能量为：1.88×10¹⁵ J，相当于45万吨TNT。

人类已经能看到高空上十分壮观的爆炸，冲击波产生的强风，已经能对在地面造成影响。

当为（1-1/10⁶）光速时，能量为：1.9×10¹⁶ J，相当于450万吨TNT。

该能量已经相当于通古斯大爆炸释放的总能量，冲击波已经能够到达地面，对地面造成较大破坏。高速冲击下，发生核聚变的氦、碳、氧等元素也开始指数级增加，大爆炸下方的人开始遭遇一定量的核辐射。

当为（1-1/10⁸）光速时，能量为：1.9×10¹⁷ J，相当于4500万吨TNT，接近于沙皇的威力。

当为（1-1/10¹⁰）光速时，能量为：1.9×10¹⁸ J，相当于4.5亿吨TNT，达到9颗沙皇的威力，超过地球每秒钟从太阳接收到的辐射能量。此时产生的冲击波，可以在地面形成冲击坑，如果落在大城市，可造成千万人的伤亡。

当为（1-1/10¹²）光速时，能量为：1.9×10¹⁹ J，相当于45亿吨TNT，已经接近人类现今核弹头储备。不仅会形成较大的冲击坑，还会形成一场超级风暴，这场超级风暴可能会波及至少1/3个地球。

当为（1-1/10¹⁴）光速时，能量为：1.9×10²⁰ J，相当于450亿吨TNT，超过人类核当量的巅峰储存年代。产生的超强冲击波，可能造成数亿万的人口丧生。

……

当为（1-1/10²⁰）光速时，能量为：1.9×10²³J，相当于450万亿吨TNT，接近6500万年前，撞击地球小行星总能量的2倍。可直接造成地球90%以上的生物灭绝。如此高速的冲击波，也令空气和地表发生剧烈的核爆。产生的破坏效果，甚至高于当年的小行星撞击地球。

如此高的能量，如果全部作用于海水里，可以令海洋沸腾。

当为（1-1/10²⁷）光速时，达到6×10²⁶ J，超过太阳每秒钟辐射的总能量。如此大数量级的冲击波，也足以把地球炸得裂开，不过在重力的作用下，地球会在很短时间内重新聚合在一起。

当为（1-1/10³⁸）光速时，达到1.9×10³² J，接近地球重力结合能，如此大的能量，可把地球炸成绵延上百万公里的小行星带，然后只有部分能够在长久的岁月中，重新结合成新的地球。

当为（1-1/10³⁹）光速时，达到6×10³² J，超过地球重力结合能的2倍多，地球爆炸后，永远不能再聚合起来。它被彻底毁灭了。

也就是说，达到0.999999999999999999999999999999999999999999光速时，地球再也不复存在，中间39个9。

但此时速度还没有达到光速，速度继续增加会怎么样呢？

当为（1-1/10⁴²）光速时，相当于太阳一年的核辐射的总能量。

当为（1-1/10⁴⁹）光速时，相当于太阳5000年辐射总能量。

当为（1-1/10⁶²）光速时，相当于太阳100亿年辐射总能量。

当为（1-1/10⁶⁹）光速时，相当于当前太阳质量湮灭释放的总能量。

当为（1-1/10⁹³）光速时，相当于银河系质量湮灭释放的总能量。

当为（1-1/10¹³³）光速时，相当于可观测宇宙质量湮灭释放的总能量。

此时缝衣针的总能量，可以直接创造一个新宇宙了。

可得，能创造我们当前可观测宇宙的缝衣针的速度为：0.9999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999C中间133个9。 

但此时还没有达到光速，那我们继续加吧。

当达到（1-1/10¹⁴⁹）光速时，便可以创造1亿个可观测宇宙。

给它一个小目标，先创造1亿个宇宙。

给太多，怕这根缝衣针会骄傲。

随着我们与光速的差距越来越低，我们能造成的宇宙个数也越来越多。

易知，以光速撞击地球的这一根针，将会创造无限个宇宙。

刚体版回答

针如果是刚体，就完全不用考虑针等离子化了。

到达地球表面时，针剩余的动能=针初动能-空气总动能。

空气并非均匀的，对于理想气体来说，压力与密度是成正比的，而空气内的压力和重力加速度也是正比的。

重力加速度满足关系式：g = GM/r²。

可知空气密度/压强与地心距离的平方成反比。

也就是说，一根刚体针从高空射入，单位撞击的空气质量与地心的单位距离呈反比：

大气中距地心R距离的空气密度为：pR = pr^{r^2}/R2。

其中，r为地球半径，另pr = 1.293kg/m³，为地表空气密度。

虽然针尖是一个斜面，宏观时斜面角度越低，受到的空气阻力越小。但在近光速下，考虑的是微观状态的粒子撞击效果。

微观状态下，斜面是一个个原子组成，有效的撞击面积，和针的截面积相同，即：

也就是说，当钢针的质量达到6.6kg，以恒定的速度冲击地球时，空气阻力产生的总能量才能恰好等于钢针的初动能。

但如果按照铁的密度来计算，钢针的质量只有0.3g，只是以上质量的2万分之一，差距极大。

这说明，在实际情况下，密度不够高的刚体针，撞击到空气之后，速度会以极快的速度衰减。远远达不到地球表面，速度就会衰减到常规速度。

当速度衰减小于光速的20%之后，相对论效应已经极弱，宏观的空气阻力成为主导：F=（1/2）CpSV²，阻力和速度平方成正比。

但此时钢针的动能已经远远低于近光速时的动能，这里就不再探讨和计算了。

总的来说，刚体针哪怕达到了近光速，但如果只是常规密度，也不足以近光速状态到达地球表面。

不过，铁原子会撞击空气分子，传递绝大部分的能量，致使空气产生无比强大的冲击波。

刚体针速度越逼近光速，冲击波的能量越大。

产生的效果和我上面回答探讨的并不会有多大的区别。

所有的能量，同样会按照我前面回答那样，地球被超级冲击波所破坏。

速度达到一定地步，冲击波的撞击面还会全面发生重核聚变。

总之，钢针要能达到贯穿地球的地步，需要的并不是增加速度，而是增加密度。

其实，达到中子星的密度，在一定高度落下，哪怕0初速度也能贯穿地球。

容易计算得到，当刚体针密度超过1.73x10⁸kg/m³之后，“针体”才能以近光速的速度达到地表。

要让刚体针能穿过地球本体，那么还需要增加密度。

在近光速下，刚体针穿过地球本体时，同样会出现类似于冲击波的效果：

图源：《天地大冲撞》海报

这里可以带入地球的平均密度简略地计算一下，刚体针需要的密度。

地球平均密度5.5x10³kg/m³，大约是空气密度的5000倍。

可以简化得到，能在近光速下，高速贯穿地球的钢针密度，至少需要高达：10¹²kg/m³，而白矮星密度下限是10⁹kg/m³，中子星的密度下限是10¹⁶kg/m³。

可知，刚体针要能贯穿地球，依旧保持高速的近光速，至少是高致密性的白矮星物质（电子简并态）。

此时刚体针质量，大约是钢针质量的1亿倍。

如果把速度降低到0.9倍光速时，穿过地球产生的能量大约10²⁰ J，地球可以形成一个贯穿洞而不受到较大的破坏。然后再在自身重力下，重新结合。

如果这样的刚体针穿过地球之后，需要地球上的生命不会受到很大威胁（以大灭绝为标准），那么这个速度需要低于（1-1/10¹²）C，也即0.999999999999光速。

但本问题问的是在光速下。

当速度超过0.9999999999999999999999999999999999光速之后，刚体针穿过地球时，在洞穿地球的瞬间，产生的强大冲击波，同样足以把地球摧毁成宇宙尘埃。

大约比非刚体针完全破坏地球，需要的速度少8个9。

黑洞是否产生

最后，再用广义相对论，探讨一下“黑洞”是否产生的问题：

1. 能动张量 Tμν 贡献引力场。

2. 根据Birkhoff定理，在球对称的引力场中，引力源运动时，可以用史瓦西解来描述（速度不提供引力场）。

也就是说，通常来说，广义相对论中速度是会提供引力场的。但是在球对称引力源的特殊情况中，不会提供引力场。

但是，球对称需要满足这样的条件：一个物质在三维时空轴的X/Y/Z轴都能旋转对称。

一根刚体针明显不是球对称的。它无限逼近光速运动时，会产生无限大的能动张量，超级空间扭曲，导致整个宇宙坍缩并不成问题。

但是，如果这根针不是刚体针，只是普通钢针的话，它在与真空中涨落的粒子或者宇宙尘埃碰撞后，就会直接解体成粒子云了。

越接近光速，碰撞产生的能量越大，解体得也越小。理论上来说，达到光速之后，能量应该全部和其它粒子碰撞化成光子飞出去了。

解体成微观状态后，基本都是符合球对称的，故而黑洞不会诞生。

之所以刚体能诞生宇宙级的黑洞，实际维持那个刚体本身存在，所需要的能量，就是超越宇宙级能量的。

总之，单纯考虑实际，现实存在的物质无限逼近光速运动时，的确不会诞生黑洞。

当然，前提是不发生任何碰撞。

也有人认为，这应该考虑碰撞截面（散射截面）的问题。也即，在粒子撞击实验中，会出现速度越快，散射截面越小的问题。

但刚才已经探讨过了，考虑更多实际情况的话，飞向地球的早就不是针形物质了。

钢针在不断加速过程中，在和宇宙粒子撞击过程中，必然会有钢针→铁原子云→质子、中子云的变化过程。

一根针大约有10²¹个质子和中子云，它们全部无限逼近光速撞击地球。

现在的散射截面，要考虑不是钢针，而是整个地球总粒子的散射截面。

首先这个数据是难以分析的，其次任何10²¹个中的质子或中子的能量都是接近无限的。它们中，但凡有一个质子撞击到地球的某些粒子上，都是无限的能量爆发，地球核爆，超级黑洞的诞生都是可能的。

哪怕在一个适度的速度区间，即：地球散射截面足够小，单个粒子间碰撞爆发的能量也还足够低的的阶段。地球可能存在一定的概率，一群超高速粒子穿透地球，而造成相对较低的破坏。

但随着速度越来越逼近光速，偶然间的粒子碰撞，就是一场毁天灭地。

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