在悟空问答中，有网友问：当一个铁球以接近光速接近地球时会发生什么？对这个问题研究的结果颇让人意外。

首先，除了单个粒子，宇宙中应该还从来没有发现过运动这样快的物体。我们仅仅把它作为一个趣味物理问题研究。或者，假设外星人建造了超级电磁炮，发射这样的炮弹来攻击地球。我们姑且把它叫做相对论动能弹，需要评估这种炮弹的杀伤力。 

 一个100克的铁球，如果速度等于光速的99.9999%，对地球有多大的打击力？根据相对论的公式，在这个速度下，它的运动质量等于静止质量100克的707倍。

认真的评估需要通过计算机仿真。个人猜想，即使对于从事仿真的专家，这也不是一个简单的问题。不过没有计算机的帮助，我们还是可以通过认真的分析和相对简单的计算，搞清楚这种的武器的物理机制并大致估计它的后果。

利用相对论的E=mc^2的公式，可以计算出这颗炮弹的能量是6.36*10^18焦耳。这样的能量是什么概念？用炸弹的单位衡量，一吨TNT当量是4.18*10^9焦耳，这颗炸弹大约是15亿吨TNT的当量。人类造过的最大的氢弹是5000万吨当量，前苏联国土辽阔，找一块地方试爆都很头疼，据说爆炸的结果把他们自己都吓坏了，再也不造那样的武器了。这颗炮弹相当于30颗那样的氢弹！别小看这个重量0.1公斤，乒乓球一样大的铁球，光速是一个很大的数字，光速的平方更大。

这些的能量只是代表潜在的破坏力，它到底能产生什么样的破坏还需要研究。当这颗相对论动能弹接近地球大气层时，会发生什么呢？当一颗陨石从太空中降临地球时，空气会摩擦它产生阻力让它减速，摩擦的热量会点亮它并可能让它炸裂，小块的陨石会完全烧掉。这颗炮弹的机制完全不同。陨石的速度，不过每秒几十公里，这种速度下，空气分子撞上陨石原子，大概像两块石头相撞，结果是弹开并掉点儿渣渣。把电子束缚在原子核周围的结合能，不过区区一两百电子伏，而相对论动能弹中每个原子的动能，超过万亿电子伏，原子结构在这样的碰撞下根本不堪一击。这颗炸弹面对的原子碰撞，更像两块内藏子弹头的豆腐的碰撞，结果一定是豆腐溅得四散，子弹头脱颖而出穿越而过。

子弹头就是原子核。大家知道原子核半径只有原子的十万分之一，如果不计原子里的电子云，物质的内部是非常的空旷的。一个高速原子核可以在铁球里走很深。到底多深需要到网上查一些材料的数据计算一下：铁原子核的半径大约是4.8fm（费米，等于10^-15米，或一千万亿分之一米），空气中氮原子核半径大约3fm。两个半径加起来7.8fm，两个原子核相撞，相当于击中一个半径7.8fm，面积1.9*10^（-28） 平方米的圆盘。这个面积，术语叫做碰撞截面，在高能物理计算中很重要。在这个截面之外，原子核之间也会有间接地碰撞，因为原子核都带电，会互相排斥。但这样的碰撞只会略微改变原子核的运动方向。在这个截面之内，进入强相互作用的范围，两个原子核就像两颗飞行的子弹头迎面碰上，大概率会碎成很多块。

铁材料原子核的密度是8.5*10^28 /立方米，一个简单的乘法告诉你：一个外来的氮原子核，平均在铁球内穿行6.2厘米，就会撞上一个铁原子核。铁球的直径大约3厘米多。可见一个地球大气原子，射入铁球后最可能穿越而过，小概率发生一次和铁原子核的碰撞。这些原子核的碎块会飞离铁球，有可能再带出少数几个原子核。但一路上，因为电磁相互作用，空气原子核和它带进来的电子会和很多电子碰撞。电子比原子核轻很多，碰撞不会对原子核产生什么影响，但一次轻微地碰撞就足以使得电子飞到铁球外面，并带走更多的电子。所以，一个入射的空气原子，只会击穿铁球带走少数几个铁原子核，但会带走海量的电子。当铁球接近到地球几百公里的距离，进入外大气层，迎来地球大气原子或离子的密集轰击，铁原子外的电子会被撸光，铁的物质结构散了架子。铁球首先会散开成一束密集的高能原子核流。

但这些铁原子核也走不远，因为越靠近地球空气就越密。同样的碰撞截面计算告诉你，一个高速铁原子核在地面附近的空气中平均每行走100米就会撞到一个空气原子核。当然它们走不到地面，查一下大气压强随高度的分布可以算出，在2万多米的高度，70%的铁原子核都会被撞碎。这些碎片还会进一步和空气原子核碰撞碎裂数量指数上升，倾泻到地面。这是一颗辐射炸弹。

它的杀伤半径有多大？这是一束很窄的辐射还是会覆盖很大面积？铁原子核的速度极高，由于动量守恒，碰撞产生的粒子绝大部分会很接近它原来的方向。你可能因此猜它的辐射区很窄。然而实际情况要糟糕得多：一个高能原子核碎片平均在大气中走几百米，就会撞上另一个原子核。从两三万米的高度下到地面，至少要经过几十次碰撞。每次碰撞散开一点儿，到了低空就彻底散开了。每次碰撞，粒子的数目至少翻倍，几十次膨胀下来，每一个铁原子核都是一场暴雨。

所幸地球是圆的。90%的原子核碰撞，都发生在3.7万米以下。在这个高度下，视界的半径是220公里左右。再远的距离，辐射就会被地球挡住。所以，我们估计它的毁伤半径不超过200公里。

http://s12/mw690/001svSDizy7gtCYAGaD5b&690-- 比科幻小说还恐怖的武器" TITLE="相对论动能弹 -- 比科幻小说还恐怖的武器" />

倾泻到地面的辐射，会有很多种粒子。其中两种最可怕：第一，炸弹相当多的一部分能量会是伽马射线。高能带电粒子的碰撞会有大量的伽马射线辐射。就算没有碰撞，高能带电粒子也会在空气中辐射伽马射线，因为它的速度超过了光在空气中的速度（所谓的切伦科夫辐射）。伽马射线的穿透能力非常强，建筑物根本挡不住。第二，高能原子核会碰撞得很碎，会有大量的中子释放出来。中子射线的穿透能力更强。你可能听说过中子弹，据说它可以杀死坦克内的成员而不毁坏坦克。有这两种射线，人们就算躲在地下掩体里也无法幸免。

看过电影《星球大战》吗？那里的死星武器很恐怖吧？这种武器更恐怖！它的能量虽然相当于30颗巨型氢弹，但和原子弹氢弹非常不一样。原子弹氢弹爆炸时释放的原子核碎片，动能在百万千万电子伏。这些原子核的动能则在万亿电子伏以上。核弹的碎片，在空气中走不了多远就会因为碰撞形成热平衡，高压高热造成爆炸的冲击波和辐射出的闪光。这种炸弹的能量太高了，绝大部分电磁辐射在更高能量（也就是更高频率）的伽马波段，可能没有多少人能看见的闪光。不会和空气形成热平衡，没有爆炸。只是以接近光速把高能辐射倾斜到地面，几万平方公里的土地。

这样的能量密度，估计杀人而不毁物。没有爆炸声，没有闪光，只是一瞬间所有人畜都跟中了邪一样在痛苦中死去。机器人也不能幸免，计算机芯片最怕高能辐射。城市村庄风景依旧，只是变成了鬼蜮。这种炸弹理论上是无法拦截的，因为它基本上以光速来袭，雷达看见它的时候它已经打到了。外星人如果把它们制成集束炸弹，对着地球轰，用不了几天功夫几吨铁，就能把地球上的人类清洗干净。然后它们就移民过来，享受人类的全部物质财富。

上帝和佛祖保佑地球吧！

物理学博士，整理自悟空问答的答案。http://blog.sina.com.cn/phdphysics

​

​