برخورد یک سوزن با سرعت نور به زمین چه عواقبی دارد؟

بيگ بنگ/ جهان مملو از خطرات مختلف است. مستقيم‌ترين تهديد براي زمين برخورد اجرام آسماني کوچک است. اما اگر يک سوزن با سرعت نور به زمين برخورد کند، چه پيش مي‌آيد و چه عواقبي دارد؟
در منظومه شمسي، تعداد زيادي از اجرام آسماني کوچک وجود دارد که نسبت به زمين نامهربان هستند. اگر به آنها توجه نکنيد ممکن است به شدت به زمين برخورد کنند. مي‌دانيم که برخورد اجرام آسماني کوچک به زمين بسيار قدرتمند است. براي مثال، حدود 66 ميليون سال پيش، بعد از برخورد يک سيارک به زمين، دايناسورها مستقيماً از روي زمين محو شدند. چرا سيارک‌ها تا اين حد قدرتمند هستند؟ در پاسخ بايد گفت که آنها بسيار سريع هستند. به طور کلي، سرعت اين اجرام آسماني مي‌تواند به راحتي به ده‌ها هزار متر بر ثانيه برسد، بنابراين همه‌ي آنها انرژي جنبشي عظيمي دارند.

از طريق فرمول انرژي جنبشي Ek = 1/2 x mv ^ 2 (که در آن m مخفف جرم و v مخفف سرعت است) مي‌توان دريافت که گرچه جرم و سرعت روي انرژي جنبشي ِ يک جسم تأثير مي‌گذارند، اما سرعت بر انرژي جنبشي تأثير مي‌گذارد. واضح است که اين تأثير بسيار بيشتر است. مردم کنجکاوند که بداند چه مي‌شود اگر جسمي با جرم کم و سرعت بسيار زياد به زمين برخورد کند؟ مشخصأ اگر سوزني با سرعت نور به زمين برخورد کند چه اتفاقي مي‌افتد؟ در پايين در مورد اين مسئله بحث مي‌کنيم.

مي‌دانيم که جرم يک سوزن را مي‌توان برابر با 0.2 گرم تنظيم کرد. با توجه به فرمول انرژي جنبشي فوق، مي‌توان محاسبه کرد که اين سوزن حدود 9 تريليون ژول (9x 10^12J) انرژي جنبشي دارد. به نظر مي‌رسد بسيار قدرتمند است، اما در واقع قدرت آن بسيار کمتر از انفجار هسته‌اي است. براي مثال، بمب هسته‌اي «پسر کوچک» حدود 63 تريليون ژول (6.3x 10^13J) انرژي آزاد کرد.

همچنين، زمين هنوز از جو محافظت مي‌کند. مي‌توان تصور کرد که در لحظه‌ي ورود اين سوزن با سرعت نور به جو، به دليل دماي بالا، سوزن مانند شهاب سنگ متلاشي شود. انرژي جنبشي آن فقط در بالاي جو زمين آزاد مي‌گردد. به نظر مي‌رسد بدين ترتيب مي‌توان نتيجه گرفت که حتي اگر سوزني با سرعت نور به زمين برخورد کند هيچ تاثيري بر روي زمين نخواهد گذاشت.
اما نظريه‌ي تحسين‌برانگيز اينشتين به ما مي‌گويد که گمانه‌زني فوق به دو دليل اشتباه است. اول: هر ماده‌اي با جرم ساکن نمي‌تواند به سرعت نور برسد، بلکه فقط مي‌تواند به سرعت نور نزديک شود. دوم: هنگامي که سرعت يک جسم نزديک به سرعت نور است، جرم نسبي آن بسيار بزرگ مي‌شود، بنابراين براي محاسبه‌ي انرژي جنبشي اين جسم بايد از فرمول مربوطه استفاده شود (همانطور که در شکل زير نشان داده شده، جايي که m0 جرم استاتيک جسم است، v  سرعت جسم است، c سرعت نور است).

---

بازار

---

از فرمول بالا مي‌توان دريافت که وقتي سرعت جسمي دائماً به سرعت نور نزديک مي‌شود، انرژي جنبشي آن به طور تصاعدي افزايش مي‌يابد.

لازم به ذکر است که مدت طولاني است که اين فرمول با تعداد زيادي از پديده‌هاي مشاهده شده توسط دانشمندان تأييد شده است. جالب‌ترين مثال اين است که در سال 1991، آشکارساز ذرات کيهاني با وضوح بالا از دانشگاه يوتا يک ذره‌ي بسيار سريع (احتمالاً يک پروتون) را کشف کرد که سرعت آن به 99.99999999999999999999951% سرعت نور مي‌رسد. داده‌هاي تحقيق نشان مي‌دهد که انرژي اين ذره به اندازۀ 20^10 × 30 الکترون ولت است که معادل با يک توپ بيس بال است که با سرعت 100 کيلومتر در ساعت پرواز مي‌کند و انرژي جنبشي دارد.

اگر در نظر بگيريم که يک سوزن يک جسم با جرم ساکن است، بنابراين سرعت اين سوزن فقط مي‌تواند بسيار به سرعت نور نزديک شود و نمي‌تواند با سرعت نور به زمين برخورد کند، بنابراين ما فقط مي‌توانيم مسئله را به اين صورت اصلاح کنيم: يک سوزن با سرعت بي‌نهايت نزديک به سرعت نور به زمين برخورد مي‌کند؛ چه عواقبي دارد؟

از نظر تئوري، وضعيت برخورد اين سوزن به زمين را مي‌توان تقريباً به سه نوع تقسيم کرد. اولين وضعيت اين است که اين سوزن به دليل دماي بالا در جو متلاشي مي‌شود و انرژي آن در جو آزاد مي‌گردد و بخشي از آن منجر به ضربه‌ي مستقيم به زمين مي‌شود. وضعيت دوم برخورد به سطح زمين است. زمين تمام انرژي آن را تحمل مي‌کند و سومين وضعيت عبور مستقيم از زمين است و زمين فقط بخشي از انرژي را تحمل مي‌کند.

طبق ِ فرمول اينشتين، به وضوح مي‌توان دريافت که وقتي سرعت ِ يک جسم بي‌نهايت به سرعت نور نزديک باشد، انرژي جنبشي آن نيز به طور نامحدودي افزايش مي‌يابد. بديهي است که وقتي سوزن به زمين برخورد کند، انرژي بي‌نهايتي نيز دارد. بنابراين، مي‌توان گفت که در هر صورت، اين سوزن انرژي بي‌نهايت را به زمين رها مي‌کند (زيرا انرژي بي‌نهايت هر چقدر هم تقسيم شود، همچنان بي‌نهايت است) و نتيجه اين است که زمين در يک لحظه ناپديد مي‌شود.

البته وجود «انرژي بي‌نهايت» در جهان غيرممکن است، بنابراين اين وضعيت فقط در تصورات ما مي‌تواند وجود داشته باشد. شايان ذکر است که انرژي اتصال گرانشي زمين تقريباً 32^10 × 2.25 ژول است. هنگامي که انرژي خارجي که زمين تحمل مي‌کند بيش از اين مقدار باشد، مواد سازندۀ زمين از هم مي‌پاشد و هرگز توسط گرانش متراکم نمي‌شوند. اگر به اين موضوع علاقه‌مند هستيد مي‌توانيد محاسبات را خودتان انجام دهيد. چه زماني سرعت اين سوزن مي‌تواند به اين ميزان انرژي برسد؟

به پيج اينستاگرامي «آخرين خبر» بپيونديد
instagram.com/akharinkhabar