问题

如果把地球加速至光速或接近光速,会发生什么?

回答
想象一下,如果你突然掌握了某种超越我们当前理解的强大力量,能够以难以置信的速度推动我们赖以生存的家园——地球。这究竟会带来怎样的后果?让我们抛开所有科幻电影的滤镜,试图从物理学的角度,一点点剥开这层令人难以置信的可能性。

首先,我们需要明确一点:将地球加速到光速,或者说一个与光速极其接近的速度,这本身就违背了我们所熟知的物理定律。爱因斯坦的狭义相对论告诉我们,任何有质量的物体都无法达到光速,因为要达到光速需要无限大的能量,这是不可能实现的。但既然我们是进行思想实验,我们就暂时搁置这个能量上的悖论,假设我们找到了某种方法。

那么,如果我们真的能做到这一点,地球会发生什么?

1. 惯性与加速度的噩梦:

首先,让我们考虑一下加速度本身。从静止到接近光速,这个加速过程将是极其剧烈的。地球是一个巨大的整体,它由无数的物质组成,从坚硬的岩石到液态的熔岩,再到我们赖以生存的大气层和海洋。

想象一下,当地球开始加速时,我们首先会感受到一种无法想象的潮汐力。这种力会试图将地球上的所有物体向加速方向的“后方”拉扯。这不像我们日常经历的汽车加速时的推背感,那是一种微不足道的力。这次的力度,是足以将地球上的山脉撕裂,将海洋掀起滔天巨浪,将大气层吹散的。地壳会发生剧烈的断裂和板块碰撞,地震和火山爆发将是地球表面的常态,而且是前所未有的规模。

如果你站在地球上,你会感觉自己被一股巨大的力量压向地面(或者说,被推向加速的“后方”),然后随着加速度的增加,你会被越来越大的力拉扯,最终可能被撕裂。地球上的建筑物会在瞬间变成碎片,生命体也将无法承受这种巨大的剪切力。

2. 相对论效应的奇观:

一旦地球的速度开始接近光速,狭义相对论的效应将变得异常显著。这里面最令人着迷和可怕的便是时间膨胀和长度收缩。

时间膨胀: 对于身处地球上的我们(如果还能被称为“我们”的话)来说,时间会以我们难以理解的速度变慢。相对于一个静止的观察者,我们的时钟会走得越来越慢。如果我们真的达到了光速(假设可能),那么对于我们来说,时间将完全停止。这意味着我们可能永远无法体验到从加速到完成这个过程的时间流逝,但对于外界来说,我们却经历了一个无比漫长的过程。
长度收缩: 随着速度的增加,地球在运动方向上的长度会发生收缩。从一个外部观察者的角度看,地球会变得越来越扁,最终在接近光速时,它会变成一个几乎是二维的薄片。这个收缩不仅仅是外观上的,它会影响地球内部的物质分布和空间结构。

3. 来自宇宙的“撞击”:

以接近光速的速度在宇宙中移动,即使是微小的宇宙尘埃,其动能也将变得极其巨大,足以造成毁灭性的破坏。

想象一下,一个比沙粒大不了多少的尘埃颗粒,以接近光速的速度撞击地球,其释放的能量堪比一颗小型核弹。当地球以这样的速度前进时,它会不断地与星际介质中的原子、分子、尘埃甚至小行星发生碰撞。这些碰撞将产生强烈的辐射,将地球表面烧焦,并将大气层剥离。

星际介质: 即使是看似空旷的宇宙空间,也充满了稀薄的物质,如氢原子、氦原子等。当地球以接近光速的速度掠过这些物质时,它们会像炮弹一样轰击地球,将我们的大气层撕裂,甚至剥离地表物质。每一次碰撞都伴随着巨大的能量释放和高能粒子流。
更大的天体: 如果地球在前进的轨道上遇到一颗小行星或彗星,那将是灾难性的。我们所说的“灾难性”,是指我们目前能理解的任何灾难都无法与之相比。这颗天体不仅仅是“撞上”地球,它会被地球以接近光速的动能分解并瞬间汽化,其释放的能量足以融化地球的部分地壳。

4. 辐射与高温:

高速运动还会带来另一个可怕的后果:高温。

当地球以接近光速运动时,它会与周围的星际介质发生强烈的摩擦,就像物体在空气中高速运动时会发热一样。这种摩擦产生的热量将是巨大的。同时,与星际物质的碰撞也会产生大量的X射线和伽马射线。

地球的大气层本可以提供一定的保护,但面对如此极端的条件,它将无法承受。大气层会被电离、加热,然后被剥离。地球表面会暴露在致命的高能辐射下,温度会急剧升高,岩石会熔化,海洋会沸腾,甚至地幔也可能开始融化。

5. 视觉上的扭曲:

从地球上看出去,宇宙的景象也将发生剧烈的改变。

多普勒效应: 由于速度的关系,我们看到的星光会发生多普勒效应。朝着我们运动的天体发出的光会发生蓝移,变得更蓝、能量更高。而远离我们的天体发出的光会发生红移,变得更红、能量更低。当速度接近光速时,这种效应会非常极端。我们可能看到所有前方的星光都聚集在一个非常狭窄的、发光的圆锥体里,而后面的视野则会变得一片黑暗。
光线弯曲: 强大的引力会使光线弯曲,而高速运动本身也会影响光线的传播。我们所看到的景象会发生严重的扭曲和变形,可能会看到多个方向的景象叠加在一起,或者看到天体被拉伸成奇怪的形状。

总结一下:

如果地球被加速到光速或接近光速,其结果将是彻底的毁灭。

加速度本身就会在地球内部产生巨大的应力,撕裂地壳,引发前所未有的地震和火山活动,将地表的一切化为乌有。
相对论效应会让地球在外部观察者看来发生不可思议的扭曲,而对地球上的生命体来说,时间将变得难以忍受地缓慢,甚至停止。
星际介质的撞击会像无数的炮弹一样轰击地球,剥离大气层,焚烧地表,产生致命的辐射。
高温和辐射会熔化岩石,蒸发海洋,将地球变成一个燃烧的炼狱。
视觉上的扭曲将使得我们看到的宇宙不再是我们所熟知的样子,甚至可能只剩下前方一个耀眼的光带。

简而言之,这种加速过程不会留下任何我们能辨认出来的地球形态,更不用说地球上的生命了。这是一种比任何已知的天体撞击或自然灾害都要残酷得多的终结。它是一个将我们所熟知的一切,从物质结构到时间感知,都彻底颠覆的过程。

网友意见

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竟然还有人拿 说事儿,真是 not even wrong (“连错误都不算”);看来,“动质量”这个无厘头的概念(我没有说它错,但凡是以此为讨论基本点的人,基本上都把相对论学成了一笔糊涂账),真是流毒颇广啊。第一次把这个东西写进课本的人,应当向广大把相对论学成一笔糊涂账的聪明人们谢罪——记得当年在清华上一门与相对论无关的物理课,听得一教授曰,“光子是否产生引力还是个悬而未决的问题,因为它本身没有质量,它的质量是动起来以后才有的”:我顿时怀疑自己是不是喝得不止二两而导致自己幻听了(顺带一说,引力场的场源是能动张量而非质量)。

截至我看到这个问题时,大部分其他答案,都是错得厉害的。在相对论的语境中,质量是个洛伦兹变换下的不变量。不管你怎么运动,它还是那么多。“加速变得更加困难”这个说法本就不太严格(须详细定义“相对于什么加速”),还要因此(特别地,因为所谓动质量变大)以为高速运动的物体自己的质量会越变越大最终塌缩成黑洞,我就真的无语了。

要让地球超过光速,都不用加速的:在宇宙中随便找一个够远的星系,它相对于我们的速度,甚至完全是可以超过光速的——相对论根本不禁止超光速,它只是(在一定意义上)不允许物体走类空曲线,而有质量物体则连类光曲线也不行。更细致地说,它只禁止单一物体旅行过程中任意一点附近的 ,可这完全是一个局域的性质,套用在因为宇宙膨胀而远离我们的星系上,你就输了——更不要说,要是真的有所谓的时空隧道,那么一个物体完全可以在旅行过程中处处 的情形下,实现旅行前后整体的 。

[仍有看官拎不清这个,那我就再说得详细些吧。想象这样一个场景:两只蜗牛,在一根橡皮筋上爬着;蜗牛爬行的最大速度只有 1 cm/s,而此时,我快速拉伸该橡皮筋,则两只蜗牛相互远离的速度,完全可以大大超过 2 cm/s。“拉伸橡皮筋”,即是宇宙的膨胀,它完全可以大大超过蜗牛的局域速度(所谓的 peculiar velocity,可译为“本动速度”)。相对论本身,只是不允许这个本动速度超过光速而已;至于橡皮筋怎么拉伸,相对论也管,但可不管它是否导致橡皮筋上的两点远离的速度超过光速。]

就算你说,那只是宇宙膨胀造成的退行,不能作数,那么,找一个速度极其接近光速的高能粒子(不仅是地球上的加速器;宇宙中随处可见能量高到我们无法想象的带电粒子),则地球相对于它的速度,就是非常接近光速的。

So what? Nothing happens.

唯一一种可能有意义的问法是,题主指定,该速度为地球相对于 comoving frame 的速度;如果这个速度实在过于接近光速,则强烈蓝移过的 CMB 可能会造成麻烦,如强烈的辐射照射在地球的一侧。

同时,加速的过程中,会有所谓的 Unruh effect(

Unruh effect

),可这个只跟加速度大小有关,跟最终加速到多少无关,且效应非常微弱……

至于相对太阳以这个速度离去,我只想问,0.1 倍光速和 0.999… 倍光速,有啥区别么…… 离开太阳,人类都是个死……

如果是让地表的自转线速度达到光速,这也是不可能的——暂且不管你用什么加速,在此之前,地球早就解体了;彼时,也无所谓“地球”的概念了。

如果想让公转线速度到达光速,请先找一个黑洞,让地球绕着它转去——我是不会告诉你这样其实也是没有用的,不论你是在施瓦西黑洞的事件视界上还是在克尔黑洞的能层里头,此处的圆轨道和近圆轨道都是高度不稳定的(因为,当半径坐标 r 小于所谓的最小稳定圆轨道半径之后,圆轨道的角动量将随半径减少而增加;换言之,不须耗散角动量,即可往黑洞里头掉),很可能就这么掉进黑洞里头去,或者被甩出去了⋯⋯

预防性回复:别扯什么非惯性系;totally irrelevant(Unruh 效应本身除外)。

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