Отвечаем на ваши гипотетические вопросы с точки зрения физики

Алмаз

Оригинал: Diamond

Что произойдет, если алмазный метеорит диаметром в 30 метров, летящий со скоростью света, ударится о Землю?

— Эйдан Смит, 8 лет, через своего отца Джеффа

Ни одна сущность, состоящая из материи, не может двигаться со скоростью света. Но не беда — мы способны весьма близко подойти к этому пределу!

Неважно, как сильно вы толкнете что-либо, — скорости света ему не достигнуть. Это кажется неверным, но это так: есть в нашей Вселенной странные правила. Но чем ближе к скорости света, тем больше энергия и импульс — и безо всяких ограничений.

Начнем с малых скоростей и будем постепенно разгоняться.

1 километр в секунду:

Если мы сбросим метеорит с границы с космосом (в 100 километрах над землей), он прошьет атмосферу насквозь без значительного замедления и упадет на землю со скоростью примерно в 3 Маха — больше километра в секунду.

Падая, метеорит сжимает воздух перед собой. Когда воздух сжимается, то нагревается. (Тем же эффектом обусловлен нагрев космических кораблей и метеоритов — трение о воздух само по себе имеет мало общего с этим.) К моменту удара о землю нижняя поверхность метеорита нагреется более чем до 500 °C, чего вполне достаточно для свечения в видимом диапазоне.

Метеорит врежется в землю после двух минут полета и создаст 300-метровый — размером со школу — кратер, разбившись на куски в процессе.

Когда-то здесь была школа.

11 километров в секунду:

Если мы поместим алмаз в космосе подальше от Земли и позволим ему падать в нашем направлении, то он врежется в планету со скоростью около 11 километров в секунду. Это вторая космическая скорость для Земли, и любое тело, приходя из космоса, будет (благодаря гравитации) двигаться по крайней мере столь же быстро.

При скорости 11 километров в секунду в краткий миг падения метеорит покажется нам огненным шаром. Энергия удара сравнится с энергией взрыва небольшой атомной бомбы, а созданный кратер будет диаметром в километр — чуть меньше, чем Аризонский.

Ради… ация.

72 километра в секунду:

Это, похоже, максимальная скорость столкновения с Землей для тела, вращающегося вокруг Солнца. Метеорный дождь Леониды «падает» с такой скоростью.

Странно, но скорость сама по себе не сильно влияет на то, как глубоко алмаз войдет в землю. Исаак Ньютон высказал очень здравую идею для оценки того, насколько далеко снаряд успевает проникнуть в цель до момента остановки. Получается, что снаряд, попадая во что-то примерно той же плотности, пройдет вглубь лишь на свою длину — вне зависимости от скорости движения.

Шар падает на землю, затем проваливается дальше, но не слишком далеко.

Однако от такого падения будут те еще брызги. Алмазный шар, летящий со скоростью 72 километра в секунду, выбьет своим взрывом кратер диаметром больше двух километров, а высвобожденная энергия сравнится с таковой у самых мощных термоядерных бомб.

Дальше пойдут неприятности.

3 000 километров в секунду = 0,01c:

Теперь все действительно плохо. Непредсказуемости процессу добавляет тот факт, что при скоростях порядка сотен километров в секунду воздух начинает участвовать в ядерном синтезе (загуглите заголовок статьи, чтобы найти полный текст). Вместе со старым добрым нагревом плазмы этот процесс сможет разрушить наш алмазный шар целиком еще до столкновения с нашей планетой.

Но Земле от этого лучше не станет. Шар все равно не разлетится достаточно широко, чтобы что-то поменялось, и врежется в землю, грубо говоря, в одной точке. Взрыв высвободит в тысячу раз больше энергии, чем самое мощное ядерное оружие, опустошив область падения нашего метеорита. Он выдолбит огромный кратер — хоть и не самый большой из тех, что видела Земля.

Там дыра в Южной Америке.

0,99c:

Здесь вступают в силу релятивистские эффекты.

При таких скоростях связи, держащие шар как целое, совершенно перестают работать. Алмазный метеорит станет просто кучей атомов углерода, двигающихся настолько быстро, что лоренцово сокращение сплющит шар в блин (хотя мы не смогли бы наблюдать это визуально[#]).Автор, возможно, путает лоренцево сокращение с вращением Террелла — Пенроуза. Мы не смогли бы увидеть своими глазами обратную сторону шара, но сплющивание будет иметь место при любом способе наблюдения. На Википедии есть хорошая статья в тему. — Прим. пер. С помощью инструмента для моделирования процессов физики элементарных частиц SRIM можно лучше прояснить некоторые вопросы о том, что случится, когда произойдет удар.

Каждый из атомов углерода в шаре несет в себе около 70 ГэВ энергии. Атомы движутся слишком быстро, чтобы взаимодействовать с воздухом непосредственно, и просто проходят сквозь него. Молекулы воздуха прошибают три метра шара, прежде чем остаться внутри. Шар будет быстро расширяться и дойдет до земли с бóльшим содержанием материи, чем в начале падения.

Когда он врежется в поверхность, то полностью дезинтегрирует, прорывая яму вглубь и вширь, и вырежет конусообразную выемку в корневой породе. Уравнение глубины проникновения здесь уже неприменимо, так как атомы буквально проходят друг сквозь друга.

Энергия столкновения выломает дыру в земной коре и выбьет взрывом настолько большой кратер, что через него можно будет видеть расплавленную мантию. Столкновение выплеснет энергию 50 Чиксулубских астероидов, что убили динозавров, — достаточно, чтобы вызвать массовое вымирание, если не конец всей жизни на Земле.

Ты сделал это, Эйдан.

Есть у меня мысль, что одна из самых великих вещей в физике — это возможность добавить больше цифр к любому числу и посмотреть, что произойдет. И никто не сможет тебя не остановить.

0,999 999 9c:

На этой скорости каждый атом углерода несет 25 ТэВ энергии, что сравнимо с частицами в луче Большого адронного коллайдера. Еще чуть быстрее, и мы могли бы найти в осколках от удара бозон Хиггса.

В данных условиях все это ударит по планете с кинетической энергией движущейся по орбите Луны. Этого достаточно, чтобы пробить зияющую дыру в мантии и взбить всю земную поверхность, сделав планету жидкой. Это, вероятно, положит конец всей жизни на Земле и вокруг нее.

Ой, кот опять прошелся по клавиатуре, и добавилась еще куча девяток.

0,999 999 999 999 999 999 999 995 1c

Самый быстрый объект (с массой) в письменной истории, должно быть, частица О-Боже-Мой (не имеет никакого отношения к частице Бога) — протон из космоса, рассекший атмосферу над Ютой в 1991-м. Он двигался со скоростью в 99,999 999 999 999 999 999 999 51% от скорости света, а значит, обладал кинетической энергией бейсбольного мяча — и это в одном протоне. Каскад выбитых им частиц затмил бы все, что мы можем получить на БАКе.

Никто не знает, почему он двигался так быстро. Частицы, движущиеся настолько быстро, сталкиваются с Землей несколько раз в год. По-видимому, они приходят со стороны взрывающихся галактик, но что там такое случилось, чтобы заставить их уйти в такой спешке, и почему они не замедлились до того, как добрались сюда, — в этом есть некая тайна.

Давайте дадим метеориту Эйдана скорость частицы О-Боже-Мой.

Эти скорости настолько высоки, что моя копия SRIM отказывается моделировать их. Однако мы можем получить некое представление об этом процессе, рассматривая, как космические лучи проходят через горную породу.

Алмаз без видимых усилий сметет столб воздуха и исчезнет в земной коре. Облако расширяющейся плазмы и излучение станут расходиться от точки входа по мере выплескивания энергии сквозь тело планеты. Сорок миллисекунд спустя вся дальняя сторона выпятится в виде раскаленного облака.

Алмазный метеорит и каскад частиц, который он создал при столкновении с земной корой, разлетятся сквозь тело планеты во все стороны. Перегретая Земля засияет ярче Солнца.

Такого импульса хватит, чтобы выбить Землю на другую орбиту, но Земли больше нет. Переданная энергия в десять тысяч раз больше, чем энергия гравитационной связи планеты, и Земля взрывом превратится в расширяющееся облако плазмы, а самые потоки с наибольшей энергией улетят в космос по направлению удара.

Солнце икнет и вспыхнет, поглощая волны пыли. Волны невероятно высокоэнергетичной плазмы до блеска вычистят поверхности Марса и Венеры.

Комментарий инопланетянина создает кавалькаду теологических и лингвистических загадок.

И в далеком будущем инопланетянин-астроном на расстоянии множества сотен световых лет от Земли хмурится, глядя на сигналящий детектор, в удивлении то того, что за невообразимая катастрофа могла заставить частицу двигаться так быстро.