論金屬材料的速度極限——鋼制“飛船”的速度極限值是1181.7m／s

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)都有一個確定的、小于光速的速度極限值——實(shí)驗(yàn)會給出最終的答案.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)行測算、對比.

愛因斯坦預(yù)言，人如果乘坐“光速飛船”，時間會倒流，人會返老還童.這也正是千百年來人類的夢想.為了實(shí)現(xiàn)這個夢想，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——勢能完全轉(zhuǎn)化成動能，它應(yīng)當(dāng)爬升到對面斜面相同的高度；如果斜面展開，球a將做勻速直線運(yùn)動，并且一直運(yùn)動下去.現(xiàn)在，我們在球a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，球b依然按球a的速度做勻速直線運(yùn)動，就是說，球a的動能完全傳遞給球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碎裂，這是因?yàn)閯幽茉趦烧咧g傳遞時，動能的力量已經(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，動能在兩者之間傳遞，在速度較低、動能較小的情況下，動能在兩者之間能有效傳遞；隨著速度的不斷增加，動能會變得很大，動能的傳遞會變成猛烈的撞擊——以動能、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，材質(zhì)本身就會遭到破壞.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理論上固定不動的剛體，那么撞擊的結(jié)果就是：動能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能、動能和其它能量形式——如果在速度足夠快，動能足夠大的情況下，動能將在瞬間完全轉(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.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值，并且在相反的過程中——由靜止到運(yùn)動的瞬時速度達(dá)到這個速度極限值，對材料的破壞結(jié)果是相同的——它不是運(yùn)動，而是熔化，不再具有器材的應(yīng)用價值.通過測算對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)動的過程中撞擊固定不動剛體，動能完全轉(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值.

假設(shè)球a是鋼制品，在撞擊剛體時動能完全轉(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，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)時所需要的內(nèi)能是

故 鋼 球 的 速 度 極 限 值 是 1181.7m／s.一 個 以1181.7m／s運(yùn)動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)動的瞬時速度達(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)以上計算的常見金屬的速度極限值.

表1

需要說明的是，在動能向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程中，會有轉(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)動的瞬時速度極限值.金屬體的速度達(dá)到極限值時，呈熔化狀態(tài)，不再具有器材的使用價值.

（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值.

至于金屬體在不斷加速后究竟能達(dá)到怎樣的運(yùn)動速度？有沒有速度極限？以上所說兩個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”上相鄰的兩個質(zhì)點(diǎn)，其中球a是首先受到推動力的點(diǎn).如果要使飛船由靜止到運(yùn)動的瞬時速度達(dá)到n m／s，必然有一個動能的作用在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，撞擊效果會變得十分驚人.由表1的計算結(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)動的瞬時速度達(dá)到100m／s，就是一個坐在椅子上的人也會受到致命的傷害.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)動的瞬時速度達(dá)到1000m／s，很多看起來堅硬的金屬材料也會被破壞，那才是光速的30萬分之一.所以，人乘坐“光速飛船”返老還童的夢想永遠(yuǎn)不會實(shí)現(xiàn).

其實(shí)，我們對速度極限有十分清楚的意識：普通汽車的速度上限設(shè)計在240km／h；動車為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，對航空航天、高速機(jī)車、槍彈的研發(fā)都有重要的參考價值.

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所具有的動能在撞擊剛體時全部轉(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所具有的動能在撞擊剛體時全部轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，并且達(dá)到了該金屬的沸點(diǎn)，我們把這時的速度稱為該金屬的第二速度極限值；以此類推，便會看到，動能轉(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)能儲存在物質(zhì)的結(jié)構(gòu)中，動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)到某一個速度的閥值，金屬熔化；達(dá)到下一個速度的閥值，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，速度的提高會有一個極限——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)系式會出現(xiàn)兩種可能：（1）金屬球a的質(zhì)量會變得無窮大，這個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)量會變成0.質(zhì)量為什么會變成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，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撞擊剛體都會伴隨著金屬體結(jié)構(gòu)自身的變形和內(nèi)能的釋放（即動能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能）.當(dāng)金屬球a的運(yùn)動速度達(dá)到該金屬的第1速度極限值時，金屬結(jié)構(gòu)的改變不再是變形，而是熔化——堅硬的金屬鍵軟化；當(dāng)金屬球a的運(yùn)動速度達(dá)到該金屬的第2速度極限值時，金屬結(jié)構(gòu)的改變不再是變形，而是汽化——堅硬的金屬鍵斷裂…….隨著速度的提高，會打開原子，也會打開原子核；當(dāng)球a的速度在無限趨近光速時撞擊剛體，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.