物质既然是由原子组成的,那么一把刀切开一个物体时,刀是否切开了原子?

瞻云,先让一部分知识有趣起来

不能。

除非你能一刀挥出近光速。

且这一刀产生的能量,相当于 3 倍全球核弹一起爆炸。

你以为的刀切物体。

实际上的刀切物体。

刀切开物体的过程,实际上是一个挤压和剪切的过程[1]

再锋利的刀,刃口半径都远远大于原子尺度。

普通刀具,刃口半径通常在 20~100μm,刃口肉眼可辨。

陶瓷刀片,刃口半径可以小至 2μm 以下,达到一般的手术刀锋利程度,肉眼不可辨。

但放大 1 千倍后,却是这样的[2]

放大到 1 万倍,已经完全没有刀锋可言。

原子尺度在 10^-10 米,也即 1 纳米的 1/10。

原子非常的空旷,外部是电子云,内部的原子核小至 10^-15 米。

也即 10^-6nm。

氦原子(He)结构示意图

陶瓷刀片的刀刃,比原子厚了了足足 1 万倍。

我们继续看看更锋利的刀,能有多锋利。

在很多人眼里,剃须刀应该算是很锋利的刀了。

其刀锋可以远小于 1μm,安全剃须刀片刃口半径在 100~200nm,放大 1 万倍后是这样的[3]

继续放大到 5 万倍后,依旧不再有刀锋可言。

它的刃口依旧比原子厚了 1000 倍。

当然,世界上还有更锋利的刀。

那就是金刚石刀和黑曜石刀,刃口半径都可以达到纳米尺度。

金刚石刀刃口半径通常可以达到 30~150nm,比安全剃须刀还要锋利数倍[4][5]

金刚石刀刀刃,放大一万倍 VS 放大 10 万倍

而黑曜石刀刃口半径更是可以达到 3nm,比剃须刀锋利数十倍。

这也是目前人类所能打造出来的,最锋利的宏观尺度的刀具了。

然而,它的刀刃半径,依旧是原子的 30 倍大小。

更小的尺度,就无法打造出稳定的宏观刀刃了。

虽然碳纳米管尖端可以达到 1nm 尺度以下[6],但作为单根的管状尖端,并不是连续刀刃,大量碳纳米管连续平铺排列,也不能形成稳定刀刃。

同样的道理,单层石墨烯虽然薄至 0.3nm,依旧难以打造机械强度够高、且稳定承受应力的宏观刀具。

不过,考虑到黑曜石刀刃半径极限可以下探到 2nm,石墨烯和碳纳米管都可以在小于 1nm 尺度上打造微观的局部刃口。

我们不妨假设,人类极限是有可能打造出 1nm 刃口宏观刀具的。

但哪怕如此,也依旧是原子的 10 倍大小。

更何况,要切开原子可不仅仅是原子大小就足够了。

必须得是原子核大小。

原子核半径是原子的 10 万分之一。

一把刀,必须小到这个尺度,才有可能真正意义上的切开原子。

即便是 1nm 的刃口,也是原子核的 100 万倍大小。

但你非得假设自己真的有能力切开原子,会发生什么呢?

那行,成全你。

现在你化身为原子武士。

你的刀刃打破了我们这个宇宙的物理法则,拥有了小至 10^-6nm 半径的刀刃。

此时你的刀切开原子,约等于微观尺度下的质子轰击原子核,只不过这里的质子不参与核反应。

在高能实验中,1 GeV 的高能质子轰击,便可以观察到轻核碎裂成多个核子。

这意味着,这个能量,几乎可以切开除了氢核以外的所有原子核。

引入洛伦因子,结合相对论动能公式,可以得到这个能量对应的速度,大约为:

也即,作为原子武士的你,一刀挥出的速度达到 0.9 倍光速。

人胳膊重量在 5kg 左右,刀的重量在 1kg 左右。挥出刀的过程,是弧形的,并非所有位置的速度都达到 0.9c。

我们假设等效达到 0.9c 的质量为 2kg。

近光速下,动能公式为:

求得,你挥出这一刀的动能达到:

2.33×10^17 J

1 吨 TNT 的能量,相当于 4.184 × 10^9 J。

这一刀相当于 5570 万吨 TNT,略大于历史上最大威力氢弹沙皇的总当量。

要切开氢核,所需要的能量就大得多了。

因为氢核仅仅只有一颗质子。

这一刀相当于把质子切开。

‌质子由两个上夸克和一个下夸克,通过胶子传递的强相互作用结合而成。

因为夸克禁闭(quark confinement)[7],夸克不能独立存在。

理论上,把两个夸克无限分开,需要无限能量。

但实际上,即便你有无限的能量,也无法拉开夸克。因为当你尝试拉开两个夸克,势能增加到足够产生一对新的夸克–反夸克时,原来的强力会断开,最终分别形成新的两个强子。

拉开夸克的过程,产生新的夸克

虽然根本不能永久性的切开氢核,但我们不妨认为,产生新夸克时,那一瞬间切开了。

核子在上千 GeV 超高能轰击[8],或在 1 万亿 K(百万倍太阳核心温度)下,核子内部的夸克和胶子不再被束缚在质子和中子里,形成夸克–胶子等离子体(Quark–Gluon Plasma, QGP),像汤一样自由流动。

由于高能轰击能量不会持久,所以夸克–胶子等离子体仅仅在极短的瞬间(10^−23s)存在。

因此,我们不妨认为,氢核在达到 1 万亿 K 时,在这一瞬间被劈开了。

在实际的夸克实验中,高能对撞时的质子速度高达 0.999999c[9]

通过近光速下的动能公式,求得这一刀挥出的动能为:

E=1.27×20 J

也即 300 亿吨 TNT 当量,相当于 600 颗沙皇。

今天人类总核储备上限为 100 亿吨 TNT 当量。

这意味着,这一刀挥出,相当于 3 倍全球核弹总量一起爆炸。

什么样的人,才能挥出这样的一刀呢?

如果挥刀距离足够短,那么挥舞的平均力量可达 10^21 N,尖峰力量还更高。

手腕韧带、肌腱总受力面积不大于 10cm^2 左右。

那么承受的压强,至少高达 10^24 Pa 以上。

已知白矮星内部压强也才 10^22 Pa。

这意味着,至少是中子星人才能挥出这一刀。

中子星可以“压碎”原子,而中子星人可以“切开”原子,似乎一切都合理了呢。