王天宇 鄭永明

（山東省青州一中，山東 青州 262500）

大家知道，沒有任何一種已知物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度可以達(dá)到光速.這就確定：每一種物質(zhì)材質(zhì)（當(dāng)然包括每一種金屬材料）應(yīng)當(dāng)都有一個(gè)確定的、小于光速的速度極限值——實(shí)驗(yàn)會(huì)給出最終的答案.為了確定哪一種金屬材料更適合于制造“光速飛船”，我們選定下面的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)算、對(duì)比.

愛因斯坦預(yù)言，人如果乘坐“光速飛船”，時(shí)間會(huì)倒流，人會(huì)返老還童.這也正是千百年來人類的夢(mèng)想.為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)夢(mèng)想，現(xiàn)在我們通過實(shí)驗(yàn)篩選各種金屬材料，看哪一種更適合于制造能讓我們返老還童的“光速飛船”.

實(shí)驗(yàn)從伽利略的“斜面實(shí)驗(yàn)”開始.球a從斜面上滾下，理想狀態(tài)下——?jiǎng)菽芡耆D(zhuǎn)化成動(dòng)能，它應(yīng)當(dāng)爬升到對(duì)面斜面相同的高度；如果斜面展開，球a將做勻速直線運(yùn)動(dòng)，并且一直運(yùn)動(dòng)下去.現(xiàn)在，我們?cè)谇騛的直線方向上放置球b（球b的材質(zhì)、體積、質(zhì)量與球a完全相同）.某瞬間，球a與球b撞擊，理想狀態(tài)下，球a停止運(yùn)動(dòng)，球b依然按球a的速度做勻速直線運(yùn)動(dòng)，就是說，球a的動(dòng)能完全傳遞給球b.而在現(xiàn)實(shí)情況中，玻璃彈子的撞擊會(huì)出現(xiàn)另一種情況，撞擊的瞬間，球a和球b一只或兩只玻璃彈子會(huì)碎裂，這是因?yàn)閯?dòng)能在兩者之間傳遞時(shí)，動(dòng)能的力量已經(jīng)超出了玻璃材料自身的結(jié)合能.

球a與球b在撞擊的瞬間，動(dòng)能在兩者之間傳遞，在速度較低、動(dòng)能較小的情況下，動(dòng)能在兩者之間能有效傳遞；隨著速度的不斷增加，動(dòng)能會(huì)變得很大，動(dòng)能的傳遞會(huì)變成猛烈的撞擊——以動(dòng)能、內(nèi)能（熱或光的能量形式）以及其它能量形式瞬間表現(xiàn)出來.當(dāng)這種能量的威力足以克服物質(zhì)材質(zhì)自身結(jié)合能時(shí)，材質(zhì)本身就會(huì)遭到破壞.當(dāng)然，材質(zhì)不同，其分子、原子的結(jié)構(gòu)不同，決定了材質(zhì)自身結(jié)合能的不同.這正是我們這次實(shí)驗(yàn)考察的目標(biāo)——哪種材質(zhì)自身結(jié)合能更強(qiáng)，更適合制造“光速飛船”.

在這里只選擇一種實(shí)驗(yàn)方式進(jìn)行考察：撞擊者是各種金屬材質(zhì)的小球，被撞擊的靶子是一個(gè)理論上固定不動(dòng)的剛體，那么撞擊的結(jié)果就是：動(dòng)能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能、動(dòng)能和其它能量形式——如果在速度足夠快，動(dòng)能足夠大的情況下，動(dòng)能將在瞬間完全轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，以熱能的形式瞬間表現(xiàn)出來，其他能量形式可以小得忽略不計(jì).當(dāng)此內(nèi)能達(dá)到金屬材料的熔點(diǎn)，我們就認(rèn)為，這樣的速度已經(jīng)達(dá)到了該金屬材料的破壞點(diǎn)——即材料的速度極限.因?yàn)檫_(dá)到熔點(diǎn)的金屬材料已經(jīng)不再具有器材的使用價(jià)值，并且在相反的過程中——由靜止到運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度達(dá)到這個(gè)速度極限值，對(duì)材料的破壞結(jié)果是相同的——它不是運(yùn)動(dòng)，而是熔化，不再具有器材的應(yīng)用價(jià)值.通過測(cè)算對(duì)比不同金屬材料的速度極限值來確定哪種材料更適合于制造“光速飛船”.

于是可以確定這樣的實(shí)驗(yàn)方法：金屬材質(zhì)的球a在高速運(yùn)動(dòng)的過程中撞擊固定不動(dòng)剛體，動(dòng)能完全轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，當(dāng)產(chǎn)生的內(nèi)能達(dá)到球a所用金屬材料的熔點(diǎn)的情況下，我們認(rèn)為，已經(jīng)達(dá)到了這種金屬材料的破壞點(diǎn)即速度極限——處于熔化狀態(tài)的金屬材料不再具有器材的使用價(jià)值.

假設(shè)球a是鋼制品，在撞擊剛體時(shí)動(dòng)能完全轉(zhuǎn)化成內(nèi)能Q，且內(nèi)能Q能夠讓鋼制球體達(dá)到熔點(diǎn).就是說，鋼球在達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)，所需要的內(nèi)能是Q.即Q＝cmΔT（式中c是比熱容，鋼的比熱容是490J／（kg·℃）；m 是質(zhì)量；ΔT是溫差，假設(shè)環(huán)境溫度為0℃，這里直接取鋼的熔點(diǎn)1425℃）.

就是說：一個(gè)質(zhì)量為m的鋼制球體，在環(huán)境溫度0℃的情況下，達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)所需要的內(nèi)能是

故 鋼 球 的 速 度 極 限 值 是 1181.7m／s.一 個(gè) 以1181.7m／s運(yùn)動(dòng)的鋼制球體撞擊剛體，其結(jié)果是：鋼球在剛體上熔化.

需要說明的是相反的運(yùn)動(dòng)過程：如果鋼制球體處于靜止?fàn)顟B(tài)，我們用剛體來撞擊它，要求鋼球被撞擊后由靜止到運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度達(dá)到1 181.7m／s.其結(jié)果一樣：鋼球在剛體上熔化.

表1所列的是根據(jù)以上計(jì)算的常見金屬的速度極限值.

表1

需要說明的是，在動(dòng)能向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程中，會(huì)有轉(zhuǎn)化效率的問題存在，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)之間會(huì)有差距，但原則上保持正比關(guān)系.

綜上所述，表1中所列9種金屬材料的速度極限值有兩層含義：

（1）金屬體由靜止到運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度極限值.金屬體的速度達(dá)到極限值時(shí)，呈熔化狀態(tài)，不再具有器材的使用價(jià)值.

（2）金屬體在加速后達(dá)到速度極限值，撞擊剛體，呈熔化狀態(tài)，不再具有器材的使用價(jià)值.

至于金屬體在不斷加速后究竟能達(dá)到怎樣的運(yùn)動(dòng)速度？有沒有速度極限？以上所說兩個(gè)速度極限值之間有無關(guān)聯(lián)？這是以后討論的話題.

就表中所見，在所列的9種常見金屬中，金屬鋼的速度極限值最高1181.7m／s；速度極限值最低的是鉛僅為291.6m／s.

現(xiàn)在假想球a和球b是“光速飛船”上相鄰的兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)，其中球a是首先受到推動(dòng)力的點(diǎn).如果要使飛船由靜止到運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度達(dá)到n m／s，必然有一個(gè)動(dòng)能的作用在a和b兩點(diǎn)之間傳遞，就像球a與球b在直線上撞擊一樣，隨著速度的提高，撞擊效果會(huì)變得十分驚人.由表1的計(jì)算結(jié)果可以看出，就常見金屬材料而言，與制造“光速飛船”的要求相去甚遠(yuǎn)；就飛船的駕駛者而言，如果由靜止到運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度達(dá)到100m／s，就是一個(gè)坐在椅子上的人也會(huì)受到致命的傷害.相當(dāng)于360km／h的汽車所做的碰撞試驗(yàn)，其結(jié)果不難想象.如果由靜止到運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度達(dá)到1000m／s，很多看起來堅(jiān)硬的金屬材料也會(huì)被破壞，那才是光速的30萬分之一.所以，人乘坐“光速飛船”返老還童的夢(mèng)想永遠(yuǎn)不會(huì)實(shí)現(xiàn).

其實(shí)，我們對(duì)速度極限有十分清楚的意識(shí)：普通汽車的速度上限設(shè)計(jì)在240km／h；動(dòng)車為575km／h；飛機(jī)高達(dá)21000km／h；子彈的速度達(dá)1250m／s.通過實(shí)驗(yàn)確定金屬材料的速度極限值是件十分有意義的事，對(duì)航空航天、高速機(jī)車、槍彈的研發(fā)都有重要的參考價(jià)值.

本文試圖把金屬材料的速度極限，或者更廣義的說——把物質(zhì)的速度極限作為一個(gè)新的物理概念提出來，有其更深層次的含義.

如上文所述，當(dāng)金屬球a所具有的動(dòng)能在撞擊剛體時(shí)全部轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，并且達(dá)到了該金屬的熔點(diǎn)，把這時(shí)的速度稱為該金屬的第一速度極限值；當(dāng)金屬球a所具有的動(dòng)能在撞擊剛體時(shí)全部轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，并且達(dá)到了該金屬的沸點(diǎn)，我們把這時(shí)的速度稱為該金屬的第二速度極限值；以此類推，便會(huì)看到，動(dòng)能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能的過程，就是金屬材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)由外而內(nèi)、由淺入深地被改變或被打開的過程——內(nèi)能儲(chǔ)存在物質(zhì)的結(jié)構(gòu)中，動(dòng)能的作用就是改變或打開不同層次的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，釋放不同層次的內(nèi)能.達(dá)到某一個(gè)速度的閥值，金屬熔化；達(dá)到下一個(gè)速度的閥值，金屬汽化.只要能產(chǎn)生足夠快的速度、提供足夠大的動(dòng)能——可以打開原子，也可以打開原子核；可以釋放原子能，也可以釋放核能…….

但是，速度的提高會(huì)有一個(gè)極限——光速.

現(xiàn)在，我們重復(fù)上文的撞擊實(shí)驗(yàn)：假設(shè)具有質(zhì)量m0的金屬球a在無限趨近于光速的速度狀態(tài)下撞擊剛體，根據(jù)質(zhì)速關(guān)系式會(huì)出現(xiàn)兩種可能：（1）金屬球a的質(zhì)量會(huì)變得無窮大，這個(gè)概念僅適用于微觀世界，宏觀環(huán)境中未有實(shí)證.（2）球a的質(zhì)量會(huì)變成0.質(zhì)量為什么會(huì)變成0？因?yàn)楣庾拥馁|(zhì)量為0.就是說，具有質(zhì)量m0的物體以無限趨近光速的速度撞擊剛體時(shí)，所有物質(zhì)屬性的結(jié)構(gòu)被完全打開，物質(zhì)的內(nèi)能得到完全釋放，以光和熱的能量形式完全釋放出來，質(zhì)能關(guān)系符合質(zhì)能方程E＝m0c2.

現(xiàn)在，我們重復(fù)愛因斯坦的名言：質(zhì)量即是能量（能量即是質(zhì)量）.質(zhì)能關(guān)系不止是數(shù)值上的，更是實(shí)質(zhì)上的.現(xiàn)代物理學(xué)研究表明：物質(zhì)不再是一種或幾種基本粒子的組合體.物質(zhì)的實(shí)質(zhì)存在于物質(zhì)結(jié)構(gòu)中，內(nèi)能可以看做是物質(zhì)結(jié)構(gòu)能量的總和.每一次物質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變都伴隨著內(nèi)能的釋放（或吸收）；而每一次物質(zhì)內(nèi)能的釋放（或吸收）都伴隨著物質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變.這其中，必然伴隨著物質(zhì)質(zhì)量虧損的變化，只是相比而言太過渺小，并未引起注意，直到核反應(yīng)中才引進(jìn)了質(zhì)能方程.

這一點(diǎn)在上述的撞擊實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)得尤為明顯：每一次金屬球a撞擊剛體都會(huì)伴隨著金屬體結(jié)構(gòu)自身的變形和內(nèi)能的釋放（即動(dòng)能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能）.當(dāng)金屬球a的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到該金屬的第1速度極限值時(shí)，金屬結(jié)構(gòu)的改變不再是變形，而是熔化——堅(jiān)硬的金屬鍵軟化；當(dāng)金屬球a的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到該金屬的第2速度極限值時(shí)，金屬結(jié)構(gòu)的改變不再是變形，而是汽化——堅(jiān)硬的金屬鍵斷裂…….隨著速度的提高，會(huì)打開原子，也會(huì)打開原子核；當(dāng)球a的速度在無限趨近光速時(shí)撞擊剛體，所有物質(zhì)屬性的結(jié)構(gòu)被完全打開，內(nèi)能得到完全的釋放，物質(zhì)以光和熱的能量形式完全釋放出來，質(zhì)能關(guān)系符合質(zhì)能方程：E＝m0c2.

這種質(zhì)能關(guān)系是普適的，適用于所有具有質(zhì)量的物質(zhì).就是說，地球上一點(diǎn)也不缺少能源，整個(gè)物質(zhì)世界都是可以被“點(diǎn)燃”的，物質(zhì)的速度極限就是一根導(dǎo)火線.