Каждый четверг 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 это не беда, мы достаточно точно можем приблизиться к ней!

Не имеет значения, как быстро вы толкнёте что-либо, оно никогда не достигнет скорости света. Такое положение вещей кажется неверным, но это так. В нашей Вселенной существуют довольно странные правила. Но чем ближе скорость чего-либо будет к скорости света, тем большую энергию и импульс оно будет иметь, а они будут увеличиваться до бесконечности.

Начнём с небольших скоростей и будем их постепенно увеличивать.

1 километр в секунду:

Если мы сбросим метеорит с линии Кармана в 100 километрах над землей, он прошьёт атмосферу насквозь без значительного замедления и упадет на землю со скоростью примерно в 3 Маха1 — больше километра в секунду.

Пока он падает, воздух перед ним сжимается. 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, когда он достигнет земли, его нижняя поверхность нагреется более, чем до 500℃, чего вполне достаточно, чтобы она начала светиться в видимом диапазоне

Врезавшись в землю спустя две минуты после того, как его отпустили, метеорит и его осколки создадут 300-метровый кратер — размером со школу.

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, 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 он будет выглядеть как огненный шар. Энергия удара будет сравнима с энергией взрыва небольшой атомной бомбы, а кратер, который он создаст, будет диаметром в километр — чуть меньше, чем Аризонский2.

72 километра в секунду:

Это, похоже, самое быстрое, что может ударить в Землю. Леониды3 имеют такую скорость столкновения.

Странно, но скорость сама по себе не сильно влияет на то, как глубоко он войдёт в землю. Исаак Ньютон высказал очень здравую идею (англ. — прим. пер.) для оценки того, насколько глубоко снаряды проникнут в свои цели до полной остановки. Получается, что вне зависимости от скорости движения, снаряд, попадая во что-то, имеющее примерно равную плотность, пройдёт вглубь лишь на длину своего тела.

Однако, от такого падения будут те ещё брызги. Алмазная сфера, летящая со скоростью 72 километра в секунду, выбьет своим взрывом кратер диаметром больше двух километров, а высвобождаемая энергия сравнится с таковой у самых мощных термоядерных бомб.

Дальше начинается полная дичь.

3 000 километров в секунду = 0.01c:

Непредсказуемости процессу добавляет тот факт, что при скоростях в диапазоне сотен километров в секунду, воздух начинает участвовать в ядерном синтезе (англ. — прим. пер.) (Загуглите заголовок статьи, чтобы найти полный текст). Вместе со старым добрым нагревом плазмы, этот процесс сможет разрушить нашу алмазную сферу целиком ещё до того, как она достигнет земной поверхности.

Земле от этого лучше явно не станет. Сфера всё равно не разлетится в достаточной степени широко и врежется в землю, грубо говоря, в одной точке. Взрыв высвободит в тысячу раз больше энергии, чем самое мощное ядерное оружие, опустошив тот регион, в котором упал наш метеорит. Он выдолбит массивный кратер — хотя это будет не самый большой кратер, который когда-либо видела Земля.

0.99c:

Здесь вступают в силу релятивистские эффекты.

При таких скоростях связи, держащие сферу как целое, совершенно перестают работать. Алмазный метеорит становится просто кучей атомов углерода, двигающихся настолько быстро, что лоренцово сокращение4 сплющивает сферу в блин (хотя мы не смогли бы наблюдать это визуально (англ. — прим. пер.) ). С помощью инструмента для эмуляции процессов физики элементарных частиц SRIM (англ. — прим. пер.) можно лучше прояснить некоторые вопросы о том, что случится, когда произойдёт удар.

Каждый из атомов углерода в шаре несёт в себе около 70 ГэВ энергии. Он движется слишком быстро, чтобы сталкиваться с воздухом непосредственно, и просто проходит напролом. Молекулы воздуха прошибают насквозь три метра шара, прежде чем остановиться внутри него, он быстро расширяется и дойдёт до земли с большим содержанием материи, чем в начале падения.

Когда он врежется в поверхность, то полностью дезинтегрирует, прорывая яму вглубь и вширь, выкорчевывая конусообразную дорогу через корневую породу. Уравнение глубины воздействия становится не применимо, 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 будет содержать в себе энергию аналогичную 50 ударам Чиксулубского астероида5, убившего динозавров — достаточно, чтобы вызвать массовое вымирание, если не конец всей жизни вообще.

Мне всегда казалось, что одна из самых великих вещей в физике: возможность добавить больше цифр к любому числу и посмотреть, что произойдёт. И никто не сможет остановить тебя.

0.9999999c:

На этой скорости каждая молекула углерода несёт 25 ТэВ энергии, что сравнимо с частицами в луче Большого Адронного Коллайдера6. Ещё чуть быстрее, и мы могли бы найти в осколках от удара бозон Хиггса.

В данных условиях всё это ударит по планете примерно с кинетической энергией Луны, движущейся по орбите. Этого достаточно, чтобы пробить зияющую дыру в мантии и растрясти земную поверхность по всей планете, превращая её в расплавленную. Это, вероятно, положит конец всей жизни на Земле и вокруг неё.

Ой, на мою клавиатуру опять наступил кот, и добавилась ещё куча девяток.

0.9999999999999999999999951c

Самым быстрым объектом (имеющим массу) в письменной истории может быть частица О-Боже-Мой (никакого отношения к частице Бога она не имеет), протон из космоса, который вспахал атмосферу над Ютой в 1991-м. Он двигался со скоростью в 99.99999999999999999999951% от скорости света, это означает, что он упаковал в себя кинетическую энергию бейсбольного мяча. Каскад частиц, которые образовывались от его движения, не смог бы воспроизвести даже БАК.

Никто не знает, как ему удалось двигаться так быстро. Частицы, движущиеся настолько быстро, сталкиваются с Землёй несколько раз в году. Кажется, что они приходят от общего направления взрыва галактик, но что там такое случилось, чтобы заставить их уйти в такой спешке, и почему они не замедлились сильнее 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 сметает колонну атмосферы, кажется, не замечая её, и исчезает в земной коре. Облако расширяющейся плазмы и излучение расходятся от точки входа, в то время как энергия пульсирует наружу через тело планеты. Сорок миллисекунд спустя вся дальняя сторона расширяется вовне в виде раскалённого облака.

Алмазный метеорит и каскад частиц, который он создал при столкновении с земной корой, распространяется наружу через тело планеты. Перегретая планета светится ярче, чем Солнце.

Импульса будет достаточно, чтобы выбить Землю на другую орбиту, но Земли больше нет. Осаждённая энергия в десять тысяч раз больше, чем энергия гравитационной связи планеты, и планета взрывается в виде расширяющегося облака плазмы, особенно энергичные потоки улетят в космос по направлению удара.

Солнце икает и вспыхивает, поглощая волны пыли. Поверхности Марса и Венеры отчищены до блеска волнами невероятно высокоэнергетичной плазмы.

И в далёком будущем, инопланетянин-астроном на расстоянии множества сотен световых лет от Земли хмурится, глядя на сигналящий детектор, и интересуется, какое же ожесточённое событие могло заставить частицу двигаться так быстро.


  1. 1 Мах - скорость звука в атмосфере = 330 м/с. 

  2. Аризонский кратер — в оригинале Meteor Crater

  3. Леониды 

  4. Лоренцево сокращение — визуальное уменьшение линейных размеров движущегося с околосветовой скоростью тела для неподвижного наблюдателя. 

  5. Чиксулуб 

  6. Про Большой адронный коллайдер и бозон Хиггса можно прочесть в конспекте лекции