Алмаз

"Что произошло бы с Землей, если бы в нее врезался алмазный метеорит 30-метрового диаметра, летящий со скоростью света?”

—Aidan Smith,  8 лет, с помощью своего отца Jeff'а

Никакое тело с ненулевой массой покоя не может двигаться со скоростью света.  Но это ничего — мы можем подобраться к ней достаточно близко!

Как ни ни разгоняйся, достичь скорости света не удастся. Это может показаться неверным, однако это так [напомню, в США физика в общеобразовательной школе является предметом по выбору, отсюда подобные пояснения]. Наша вселенная порой придерживается странных правил. Чем ближе скорость объекта к скорости света — тем большим импульсом и энергией он обладает, причем при приближении к скорости света они стремятся к бесконечности.

Мы начнем с небольших скоростей и постепенно будем разгоняться.

1 километр в секунду:

Если бросить метеорит на 100-километровой высоте (границе космического пространства), то он, разогнанный силой притяжения,  без существенного замедления пронзит атмосферу и достигнет поверхности на скорости около 3 Мах — более километра в секунду.

В процессе падения он вызовет сжатие воздуха перед собой. Сжатие газа вызывает его нагревание. (Это тот самый процесс, который приводит к нагреванию космических аппаратов и метеоров: сопротивление воздуха как таковое тут практически не участвует.)  К моменту столкновения с землей нижняя поверхность метеорита нагреется свыше 500℃,  чего вполне достаточно, чтобы тело начало светиться.

В момент удара о землю, спустя 2 минуты после начала движения, наш метеорит разлетится на куски, создав кратер 300-метрового диаметра.

[Надпись над динозавром: это типо для масштаба.]

11 километров в секунду:

Если поднять метеорит подальше и снова бросить, то он ударит со скоростью примерно 11 километров в секунду.  Это скорость убегания для Земли и все что на нее падает из космоса будет иметь, благодаря гравитации, как минимум такую скорость.

На скорости 11 километров в секунду, метеорит в момент своего спуска будет виден как огненный шар. Энергия столкновения будет сравнима с небольшой атомной бомбой, а кратер, который возникнет на месте столкновения окажется километрового диаметра — немного меньшим, чем Метеоритный кратер в Аризоне.

По порядку величины это максимальная скорость, с которой что бы то ни было, вращающееся вокруг Солнца, может ударить Землю. Метеоритный дождь Леониды сталкивается с Землей на этой скорости.

Как ни странно, скорость движения тела мало влияет на то, насколько глубоко оно войдет в землю. Исаак Ньютон придумал великолепный способ оценки глубины проникновения движущейся частицы в мишень. Оказывается, не важно, с какой скоростью частица движется, если она ударит в что-то примерно такой же плотности, то проникнет на глубину, примерно равную своей длине.

Тем не менее, всплеск получится значительный. Алмазный шар на скорости 72 км/c создаст кратер двухкилометрового диаметра, высвободив энергию, сравнимую с энергией взрыва самой большой термоядерной бомбы.

Начиная с этого момента, ситуация становится более причудливой.

3000 километров в секунду = 0,01c:

В этот раз дела будут плохи.  Ситуация становится немного плохо предсказуемой из-за того, на скоростях порядка сотен километров в секунду в воздухе начнутся термоядерные реакции (погуглите название статьи, чтобы найти ее полный текст). В сочетании со старым-добрым плазменным нагревом, может оказаться так что наш метеорит будет полностью разъеден по дороге к земле.

Но ничего хорошего из этого все равно не выйдет. Частицы метеорита не успеют разлететься достаточно далеко, и все равно ударят землю в одной точке. При взрыве выделится в тысячи раз больше энергии, чем в самом мощном термоядерном оружии, полностью уничтожив весь окружающий регион. Будет выгрызен огромный кратер, хотя и не самый большой из тех, что повидала наша планета.

0.99c:

Здесь уже вмешивается теория относительности.

На таких скоростях межатомные связи становятся несущественными. Алмазный шар можно рассматривать просто как набор атомов, движущихся с такой скоростью, что лоренцево сокращение превратит сферу в блин (хотя мы этого увидеть не сможем). Система моделирования элементарных частиц SRIM поможет нам разобраться, что произойдет, когда ударит метеорит.

Атомы углерода будут обладать энергией около 70 гигаэлектронвольт каждый. Скорость их слишком велика, чтобы вступать в реакцию синтеза с компонентами воздуха — они проходят в него целиком. Молекулы воздуха будут проникать в шар на глубину до трех метров, так что наш метеорит будет существенно тяжелее к моменту столкновения с поверхностью. Также значительно увеличится его объем.

В момент удара о землю метеорит будет полностью уничтожен, прогрызая в подстилающих породах расходящуюся коническую полость. Старое уравнение, описывающее глубину проникновения при столкновении больше не работает, так как атомы буквально проходят друг друга насквозь.

Столкновения пробьет дыру в земной коре и создаст столь большой кратер, что на дне его будет видна расплавленная мантия. Выделившаяся энергия, в 50 раз большая убившего динозавров импакта Чиксулуб [я уже высказывался как-то на тему метеоритных гипотез] — более чем достаточно, чтобы вызвать массовое вымирание, а возможно и уничтожить жизнь вообще.

Я всегда считал, что одно из самых замечательных свойств физики то, что всегда можно добавить цифр к любому числу, посмотреть, что получится и никто не сможет тебя остановить.

0,9999999c:

На этой скорости каждая молекула углерода обладает энергией 25 ТэВ, что сравнимо с энергией частиц луча Большого Адронного Коллайдера. Еще чуть быстрее и мы могли бы детектировать бозоны Хиггса в продуктах столкновения.

В таком виде метеорит врежется в Землю с кинетической энергией, примерно равной кинетической энергии Луны на орбите. Этого более чем достаточно, чтобы пробить зияющую дыру в мантии и целиком перемешать внутренности планеты, заодно расплавив то, что еще не было расплавлено.  Вероятно, с жизнью на планете Земля будет покончено.

Ой, кот опять прошелся по клавиатуре, так что добавилось еще горсть девяток.

0.9999999999999999999999951c

Самым быстрым объектом (с ненулевой массой покоя) в истории наблюдений была Боже-Мой-частица (безотносительно к "частице Бога"), космический протон, влетевший в атмосферу над штатом Юта в 1991 году. Его скорость составляла 99,99999999999999999999951% скорости света, т.е. он обладал кинетической энергией бейсбольного мяча — од​ин протон. Вызванный им каскад частиц делает мизерными все усилия БАК.

Никто не знает, каким образом он так разогнался. Частицы, движущиеся с такими скоростями бьют по Земле несколько раз в год. Похоже, что они приходят от взрывающихся галактик, но что заставляет их убегать в такой спешке и почему они не замедляются по дороге — это, в определенном смысле, загадка.

Пускай метеорит Aidan’а летит со скоростью Боже-Мой-частицы.

Эта скорость столь велика, что моя версия SRIM просто отказывается ее обсчитывать. Тем не менее, мы можем сделать некоторые предположения, опираясь на поведение космических лучей при прохождении скальных пород.

Алмаз пронзит атмосферу не заметив и нырнет в земную кору.  Облако плазмы и проникающей радиации начнет разрастаться вокруг входного отверстия когда энергия начнет рваться наружу из внутренностей планеты. Сорок миллисекунд спустя вся дальняя часть планеты разлетится в стороны в виде ослепительного облака.

Алмазный метеорит и каскад частиц, созданный им при столкновении с корой распространятся по всему телу планеты. Сверхперегретая Земля будет светиться ярче чем Солнце.

Импульса бы хватило, чтобы столкнуть Землю с орбиты, но Земли больше нет. Выделившаяся энергия в десять тысяч раз больше гравитационной энергии связи, так что планета разлетится в виде облака плазмы, с особенно мощным потоком, исходящим из зоны, противоположной точке импакта.

Солнце пульсирует и вспыхивает, поглощая волны мусора. Поверхность Марса и Венеры выжжена потоками невероятно высокоэнергичной плазмы.

И в далеком будущем, инопланетный астроном, в мире, удаленном от Земли на сотни световых лет нахмурится, глядя на пищащий детектор и с удивлением задумается, что же за жуткое событие заставило частицу двигаться так быстро.