Уявімо, що звичайну швейну голку вдається розігнати майже до швидкості світла й спрямувати з космосу на Землю. Інтуїтивно здається, що вона проб’є планету наскрізь, але насправді до поверхні голка не долетить — її енергія вивільниться у верхніх шарах атмосфери, як у випадку з великим метеором.
Чому не можна розігнати голку до точної швидкості світла
Згідно з теорією відносності, що ближче тіло підлітає до швидкості світла, то більше енергії потрібно, щоб ще трохи збільшити його швидкість. Для досягнення точної швидкості світла знадобилася б нескінченна енергія, тому в реальних розрахунках говорять лише про «майже» — наприклад, 99% або 99,99% швидкості світла.
При цьому енергії, яку потрібно витратити, щоб розігнати голку до таких швидкостей, буде не менше, ніж та, яку вона потім віддасть, врізаючись в атмосферу.
Скільки енергії несе така голка
Звичайна голка для ручного шиття завдовжки приблизно 37 мм і завтовшки близько 0,7 мм важить орієнтовно 0,1 грама. Попри таку мізерну масу, на релятивістських швидкостях вона перетворюється на надпотужний «снаряд».
- На швидкості близько 99% швидкості світла така голка несе енергію, еквівалентну приблизно 13 кілотоннам тротилу.
- На 99,99% швидкості світла — уже близько 150 кілотонн, тобто майже як великий метеор, що вибухає у повітрі.
Якщо порівняти з електроспоживанням, то енергія голки на 99% швидкості світла приблизно дорівнює тій кількості електроенергії, яку вся Україна разом із промисловістю витрачає за звичайний рік приблизно за 50 хвилин.
Чому голка «згорить» у стратосфері
Над кожним квадратним сантиметром земної поверхні «висить» близько кілограма повітря. Переріз голки в рази менший за квадратний сантиметр, але навіть тоді на її шляху опиняється стовп повітря масою приблизно 4 грами, якщо вона летить вістрям уперед. Це приблизно у 35 разів більше, ніж важить сама голка. Якщо ж вона рухається боком, маса повітря на її шляху буде вже в тисячі разів більшою за її власну.
Для порівняння: у книжці Рендалла Манро «А що, як?..» розглядається бейсбольний м’яч, розігнаний до 90% швидкості світла. За розрахунками, повітря він майже повністю руйнує вже за 18 метрів польоту біля поверхні Землі — до цього моменту м’яч встигає пройти крізь меншу масу повітря, ніж важить сам.
Голка ж, що летить майже зі швидкістю світла, взаємодіє з повітрям набагато інтенсивніше. Вона розсиплеться ще у стратосфері, на висоті кількох десятків кілометрів. З поверхні це виглядатиме як яскравий спалах і світіння повітря високо в небі. Жодного кратера на Землі не утвориться.
Подібні події вже спостерігали
Схожий за масштабом випадок стався 18 грудня 2018 року над Беринговим морем. На висоті близько 26 км вибухнув метеор з енергією приблизно 173 кілотонни в тротиловому еквіваленті — це близько до того, що мала б наша умовна голка на 99,99% швидкості світла. Оскільки вибух стався високо й над безлюдною акваторією, на поверхні він не становив загрози.
Скільки енергії потрібно, щоб розколоти Землю
Щоб повністю рознести речовину Землі, потрібна енергія, співмірна з тією, яку Сонце випромінює приблизно за тиждень. Для звичайної голки це означало б необхідність летіти зі швидкістю 0,999… швидкості світла, де після коми стоїть 39 дев’яток. Це настільки близько до швидкості світла, що практично недосяжно.
Як голка запускає ядерні реакції в повітрі
На надвисоких швидкостях повітря не встигає ані стиснутися, ані розійтися вбік. Ядра атомів, з яких складається голка, фактично врізаються безпосередньо в ядра азоту й кисню в атмосфері. Сили, що утримують голку як цілісний предмет, уже не відіграють ролі — вона поводиться так, ніби розсипалася на окремі ядра.
Під час таких зіткнень ядра руйнуються, їхні уламки летять далі й розбивають наступні ядра. У процесі народжуються нові частинки та гамма-випромінювання, формується лавина елементарних частинок. Енергію голка отримала завдяки своїй швидкості, а не за рахунок поділу урану, але передає її повітрю саме через ядерні реакції.
Космічні промені — «природні голки» з космосу
Насправді подібні «голки» постійно прилітають на Землю з космосу. Це протони та ядра атомів, які рухаються майже зі швидкістю світла. Їх називають космічними променями. Вони так само врізаються у верхні шари атмосфери, руйнують ядра азоту й кисню, і в небі виникає злива частинок, іноді з мільярдів елементів.
Найпотужнішу з відомих частинок зафіксували 1991 року у США. Її прозвали «Oh-My-God» («Боже мій»). Одна така частинка несла енергію, порівнянну з енергією бейсбольного м’яча, кинутою зі швидкістю близько 100 км/год. У повітрі вона породила приблизно 240 мільярдів вторинних частинок. Для порівняння, голка на 99% швидкості світла мала б енергію приблизно в трильйон разів більшу.
Мюони: невидимі «гості», що пролітають крізь нас
Серед частинок, які утворюються в атмосферних зливах і долітають до поверхні, найбільше мюонів. Це «родичі» електрона, але значно важчі. Вони народжуються на висоті близько 15 км.
Біля поверхні Землі через кожен квадратний сантиметр проходить приблизно один мюон на хвилину. Через площу долоні — приблизно один щосекунди. Вони невидимі й у таких кількостях вважаються нешкідливими для людини.
Як теорія відносності працює над нашими головами
Мюон живе дуже недовго — близько 2,2 мільйонної частки секунди, після чого розпадається. Щоб подолати 15 км навіть зі швидкістю світла, потрібно часу в понад двадцять разів більше, ніж триває його «життя». Однак мюони все ж долітають до поверхні.
Це можливо завдяки тому, що на субсвітлових швидкостях для них час плине повільніше, ніж для спостерігача на Землі. Тобто ефекти теорії відносності проявляються не лише в наукових експериментах, а й буквально над нашими головами щосекунди.
