王天宇 郑永明

（山东省青州一中，山东 青州 262500）

大家知道，没有任何一种已知物质的运动速度可以达到光速.这就确定：每一种物质材质（当然包括每一种金属材料）应当都有一个确定的、小于光速的速度极限值——实验会给出最终的答案.为了确定哪一种金属材料更适合于制造“光速飞船”，我们选定下面的实验方法进行测算、对比.

爱因斯坦预言，人如果乘坐“光速飞船”，时间会倒流，人会返老还童.这也正是千百年来人类的梦想.为了实现这个梦想，现在我们通过实验筛选各种金属材料，看哪一种更适合于制造能让我们返老还童的“光速飞船”.

实验从伽利略的“斜面实验”开始.球a从斜面上滚下，理想状态下——势能完全转化成动能，它应当爬升到对面斜面相同的高度；如果斜面展开，球a将做匀速直线运动，并且一直运动下去.现在，我们在球a的直线方向上放置球b（球b的材质、体积、质量与球a完全相同）.某瞬间，球a与球b撞击，理想状态下，球a停止运动，球b依然按球a的速度做匀速直线运动，就是说，球a的动能完全传递给球b.而在现实情况中，玻璃弹子的撞击会出现另一种情况，撞击的瞬间，球a和球b一只或两只玻璃弹子会碎裂，这是因为动能在两者之间传递时，动能的力量已经超出了玻璃材料自身的结合能.

球a与球b在撞击的瞬间，动能在两者之间传递，在速度较低、动能较小的情况下，动能在两者之间能有效传递；随着速度的不断增加，动能会变得很大，动能的传递会变成猛烈的撞击——以动能、内能（热或光的能量形式）以及其它能量形式瞬间表现出来.当这种能量的威力足以克服物质材质自身结合能时，材质本身就会遭到破坏.当然，材质不同，其分子、原子的结构不同，决定了材质自身结合能的不同.这正是我们这次实验考察的目标——哪种材质自身结合能更强，更适合制造“光速飞船”.

在这里只选择一种实验方式进行考察：撞击者是各种金属材质的小球，被撞击的靶子是一个理论上固定不动的刚体，那么撞击的结果就是：动能转化成内能、动能和其它能量形式——如果在速度足够快，动能足够大的情况下，动能将在瞬间完全转化成内能，以热能的形式瞬间表现出来，其他能量形式可以小得忽略不计.当此内能达到金属材料的熔点，我们就认为，这样的速度已经达到了该金属材料的破坏点——即材料的速度极限.因为达到熔点的金属材料已经不再具有器材的使用价值，并且在相反的过程中——由静止到运动的瞬时速度达到这个速度极限值，对材料的破坏结果是相同的——它不是运动，而是熔化，不再具有器材的应用价值.通过测算对比不同金属材料的速度极限值来确定哪种材料更适合于制造“光速飞船”.

于是可以确定这样的实验方法：金属材质的球a在高速运动的过程中撞击固定不动刚体，动能完全转化成内能，当产生的内能达到球a所用金属材料的熔点的情况下，我们认为，已经达到了这种金属材料的破坏点即速度极限——处于熔化状态的金属材料不再具有器材的使用价值.

假设球a是钢制品，在撞击刚体时动能完全转化成内能Q，且内能Q能够让钢制球体达到熔点.就是说，钢球在达到熔点时，所需要的内能是Q.即Q＝cmΔT（式中c是比热容，钢的比热容是490J／（kg·℃）；m 是质量；ΔT是温差，假设环境温度为0℃，这里直接取钢的熔点1425℃）.

就是说：一个质量为m的钢制球体，在环境温度0℃的情况下，达到熔点时所需要的内能是

故 钢 球 的 速 度 极 限 值 是 1181.7m／s.一 个 以1181.7m／s运动的钢制球体撞击刚体，其结果是：钢球在刚体上熔化.

需要说明的是相反的运动过程：如果钢制球体处于静止状态，我们用刚体来撞击它，要求钢球被撞击后由静止到运动的瞬时速度达到1 181.7m／s.其结果一样：钢球在刚体上熔化.

表1所列的是根据以上计算的常见金属的速度极限值.

表1

需要说明的是，在动能向内能的转化过程中，会有转化效率的问题存在，实验数据和理论数据之间会有差距，但原则上保持正比关系.

综上所述，表1中所列9种金属材料的速度极限值有两层含义：

（1）金属体由静止到运动的瞬时速度极限值.金属体的速度达到极限值时，呈熔化状态，不再具有器材的使用价值.

（2）金属体在加速后达到速度极限值，撞击刚体，呈熔化状态，不再具有器材的使用价值.

至于金属体在不断加速后究竟能达到怎样的运动速度？有没有速度极限？以上所说两个速度极限值之间有无关联？这是以后讨论的话题.

就表中所见，在所列的9种常见金属中，金属钢的速度极限值最高1181.7m／s；速度极限值最低的是铅仅为291.6m／s.

现在假想球a和球b是“光速飞船”上相邻的两个质点，其中球a是首先受到推动力的点.如果要使飞船由静止到运动的瞬时速度达到n m／s，必然有一个动能的作用在a和b两点之间传递，就像球a与球b在直线上撞击一样，随着速度的提高，撞击效果会变得十分惊人.由表1的计算结果可以看出，就常见金属材料而言，与制造“光速飞船”的要求相去甚远；就飞船的驾驶者而言，如果由静止到运动的瞬时速度达到100m／s，就是一个坐在椅子上的人也会受到致命的伤害.相当于360km／h的汽车所做的碰撞试验，其结果不难想象.如果由静止到运动的瞬时速度达到1000m／s，很多看起来坚硬的金属材料也会被破坏，那才是光速的30万分之一.所以，人乘坐“光速飞船”返老还童的梦想永远不会实现.

其实，我们对速度极限有十分清楚的意识：普通汽车的速度上限设计在240km／h；动车为575km／h；飞机高达21000km／h；子弹的速度达1250m／s.通过实验确定金属材料的速度极限值是件十分有意义的事，对航空航天、高速机车、枪弹的研发都有重要的参考价值.

本文试图把金属材料的速度极限，或者更广义的说——把物质的速度极限作为一个新的物理概念提出来，有其更深层次的含义.

如上文所述，当金属球a所具有的动能在撞击刚体时全部转化成内能，并且达到了该金属的熔点，把这时的速度称为该金属的第一速度极限值；当金属球a所具有的动能在撞击刚体时全部转化成内能，并且达到了该金属的沸点，我们把这时的速度称为该金属的第二速度极限值；以此类推，便会看到，动能转化成内能的过程，就是金属材料的物质结构由外而内、由浅入深地被改变或被打开的过程——内能储存在物质的结构中，动能的作用就是改变或打开不同层次的物质结构，释放不同层次的内能.达到某一个速度的阀值，金属熔化；达到下一个速度的阀值，金属汽化.只要能产生足够快的速度、提供足够大的动能——可以打开原子，也可以打开原子核；可以释放原子能，也可以释放核能…….

但是，速度的提高会有一个极限——光速.

现在，我们重复上文的撞击实验：假设具有质量m0的金属球a在无限趋近于光速的速度状态下撞击刚体，根据质速关系式会出现两种可能：（1）金属球a的质量会变得无穷大，这个概念仅适用于微观世界，宏观环境中未有实证.（2）球a的质量会变成0.质量为什么会变成0？因为光子的质量为0.就是说，具有质量m0的物体以无限趋近光速的速度撞击刚体时，所有物质属性的结构被完全打开，物质的内能得到完全释放，以光和热的能量形式完全释放出来，质能关系符合质能方程E＝m0c2.

现在，我们重复爱因斯坦的名言：质量即是能量（能量即是质量）.质能关系不止是数值上的，更是实质上的.现代物理学研究表明：物质不再是一种或几种基本粒子的组合体.物质的实质存在于物质结构中，内能可以看做是物质结构能量的总和.每一次物质结构的改变都伴随着内能的释放（或吸收）；而每一次物质内能的释放（或吸收）都伴随着物质结构的改变.这其中，必然伴随着物质质量亏损的变化，只是相比而言太过渺小，并未引起注意，直到核反应中才引进了质能方程.

这一点在上述的撞击实验中表现得尤为明显：每一次金属球a撞击刚体都会伴随着金属体结构自身的变形和内能的释放（即动能转化成内能）.当金属球a的运动速度达到该金属的第1速度极限值时，金属结构的改变不再是变形，而是熔化——坚硬的金属键软化；当金属球a的运动速度达到该金属的第2速度极限值时，金属结构的改变不再是变形，而是汽化——坚硬的金属键断裂…….随着速度的提高，会打开原子，也会打开原子核；当球a的速度在无限趋近光速时撞击刚体，所有物质属性的结构被完全打开，内能得到完全的释放，物质以光和热的能量形式完全释放出来，质能关系符合质能方程：E＝m0c2.

这种质能关系是普适的，适用于所有具有质量的物质.就是说，地球上一点也不缺少能源，整个物质世界都是可以被“点燃”的，物质的速度极限就是一根导火线.