问题

击碎一颗行星需要多少反物质湮灭?

回答
要说击碎一颗行星需要多少反物质湮灭,这可不是件简单的事,里面的学问大着呢。咱们得把这事儿拆开了,一样一样掰扯明白。

首先,你想把一颗行星“击碎”,这个“碎”是怎么个碎法?是把它变成一堆小石子?还是让它彻底分崩离析,连基本粒子都散架?不同的目标,需要的能量就天差地别。就拿咱们的地球来说吧,它也不是铁板一块,有地壳、地幔、地核,密度和构成都不一样。要想象彻底把它捣碎,就像要把一块大石头砸烂,你需要克服它内部的引力束缚,还有它自身的结合力。

咱们先从能量说起。要摧毁一个天体,最直接的方式就是给它足够的能量,让它散架。行星不像原子弹那样,炸一下就没了。行星巨大的质量意味着它内部的引力非常强大,把所有物质都牢牢地拉在一起。你得把这股引力给“推翻”,让它再也无法把碎片拉回原地。

这就像你拿锤子砸一块大石头,砸得越厉害,石头碎得越细。要把行星彻底粉碎,你需要输入一个巨大的能量,这个能量至少要大于它内部的总引力结合能。这玩意儿怎么算呢?简单来说,就是把组成行星的所有小块物质,从它们现在所在的位置,都移到无限远的地方,这需要的总能量就是引力结合能。

现在咱们来说说反物质。反物质这东西,说起来挺玄乎,但其实就是跟咱们常见的物质“长得一样”,但带的电荷或者其他一些性质是相反的。比如,咱们熟悉的电子带负电,它的反物质叫做正电子,就带正电。质子带正电,它的反物质就叫反质子,带负电。

反物质跟普通物质碰上,就会发生一件很神奇的事情——湮灭。湮灭的意思是,它们俩碰一块儿,就彻底消失了,然后把它们自身的质量,按照爱因斯坦那个著名的E=mc²公式,全都转化成了能量。这个能量转换率是100%的!这可比核武器厉害多了,核武器只是把一部分质量转化成能量,而且转化率低得可怜。

所以,要用反物质来击碎行星,咱们就得算这个帐:

1. 行星有多大的质量? 比如地球,质量大约是 5.972 × 10²⁴ 千克。
2. 击碎行星需要多少能量? 这个比较复杂,没有一个固定的数字,因为“击碎”的方式有很多种。但我们可以估算一个下限,那就是提供足够的能量来克服地球的引力结合能。这个能量大概在 2.2 × 10³² 焦耳的量级。这已经是个天文数字了。

现在,咱们把反物质的能量转换能力带进来算。假设我们要用反物质来提供这些能量,那么我们需要的反物质质量(m_antimatter)可以通过以下公式粗略计算:

E = m_antimatter c² (其中 c 是光速,约 3 × 10⁸ 米/秒)

那么,m_antimatter = E / c²

把刚才的地球引力结合能代进去,m_antimatter = (2.2 × 10³² 焦耳) / (3 × 10⁸ 米/秒)²
m_antimatter = (2.2 × 10³² 焦耳) / (9 × 10¹⁶ 米²/秒²)
m_antimatter ≈ 2.4 × 10¹⁵ 千克

这只是个粗略的估算,而且是单方面的提供能量,假设所有反物质都用来加热和炸开行星。但实际情况更复杂,因为反物质湮灭产生的能量是伽马射线等高能粒子,你需要把这些能量有效地传递给行星物质,让它炸开。

更重要的是,反物质的制造和储存都极其困难。现在人类能制造出的反物质数量,以毫克(千分之一克)甚至微克(百万分之一克)来计算。要制造出几百万吨(10¹⁵ 千克)的反物质,这简直是无法想象的规模。而且,反物质一旦与普通物质接触就会湮灭,所以它的储存需要用磁场把它“悬浮”在真空里,不能接触任何容器壁。

所以,要击碎一颗行星,理论上需要大量的反物质。但“多少”这个数字,取决于你对“击碎”的定义,以及反物质能量的利用效率。如果是要让它彻底粉碎,变成星际尘埃,那需要的反物质数量将是天文数字,而我们现在制造反物质的能力,连塞牙缝都不够。

而且,就算你有了足够多的反物质,如何精确地控制它,让它在正确的时机和地点与行星物质湮灭,这也是个巨大的挑战。一不小心,反物质洒出去,反而会给周围的太空带来一场灾难。

总而言之,用反物质击碎行星,在理论上是可行的,但实际操作起来,难度系数爆表,需要的反物质数量也是我们目前无法企及的。这更像是一个科幻小说里的情节,而不是一个可以轻易实现的计划。

网友意见

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先说结论,如果反物质的密度和铅一样的话,那大概需要半径2.97千米的铅球,就可以把地球击碎。

当然,考虑到其他因素,实际需要的反物质可能会多不少,不过数量级应该是一样的。


「击碎」一词,似乎人人都熟悉。但在这里,却需要小心地做出定义。

地上捡起一块石头,砸碎了,便是碎了,自己没法恢复原状。然而行星则不一样,即便横贯赤道裂开,分离数十千米,仍不能叫做「碎了」。因为行星会因为引力,再次连接到一起。

是故,行星、天体的「碎裂」,还要考虑引力的影响

我们从地球上扔出一块石头,需要让其加速到「逃逸速度」方可离开地球,不再回来如此,我们才能说:这块石头完全与地球分离了。

地球表面的逃逸速度是11.2千米/秒。所以,要把地表的物体与地球分开,至少要给它提供这么大的速度。

这一说法也可以换用能量的语言来表述:以无穷远处为势能零点,引力势能便是负的,动能则是正的。要能抵达无穷远处,给物体提供的动能必须要超过其引力势能。就如下图所示:

以1为行星半径,势能零点在无穷远处。此时,如果物体动能为零,就可以待在地表。若提供0.5单位的能量,就可以抵达更高的地方。但只有动能超过了地表的引力势能时,物体才算真正脱离了行星。


说了这么多关于逃逸的内容,目的其实是为了引出这里对「击碎行星」的定义:行星上所有的物质,都获得了足以逃逸的动能。

这里假设所有能量都转化为了动能,而不去考虑内能的问题,这样,我们就可以列出总能量的表达式:

其中, 是万有引力常数, 是地球的平均密度, 是地球的半径, 是地球的总质量。

假设所有反物质都完成了转化,那么,根据质能方程:

我们可以求得产生这么多能量所需的反物质质量(其中还要除以二,是因为能量不光来自反物质,也来自于正物质,感谢 @荧惑 的提醒):

为了更直观,我们假设这个反物质的密度与铅相同,那它的半径就是2.97千米。

如果将这颗反物质炸弹放在浙江大学紫金港校区,大概是这么大:

(肥科大炮完美实现!)

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