【腦洞系列】如果你有一根一光年長的棍子,揮動棍子的時候會超光速嗎

天空之城 2020/12/07 檢舉 我要評論

這個世界上是沒有什麼事情建立在如果上的,先給支持者一個信心,如果這根棍子是絕對剛性的,力的傳導速度(其實沒這個概念,力的傳播速度看介質)那麼就會是無窮大,那麼答案就是可以超光速。

其實這是一個關於「超光速」的老問題,在網路中經常被人提及。眾所周知,光速限制表達為任何物體移動或者資訊傳遞的速度,不能超過光速。

所以,有的人提出一個構,如果我們推動一根幾光年長的棍子,這根棍子不是可以同步運動了嗎?這不就是對棍子的另一端施加影響——即傳遞了資訊了?即使傳遞資訊是瞬間的,不是就打破了「任何物體移動或者資訊傳遞的速度,不能超過光速」的結論了嗎?

那麼,光速不是就輕而易舉的被打破了嗎?遺憾的是,你想到的問題,別人也會想到,如果這麼簡單就可以打破物理規律,那麼,物理規律就不知道被打破多少次了。實際上,物理規律在其適用范圍內是不可能被打破的。

首先,「一根1光年長的棍子」是不可能實現的,也就是說,現實世界不可能做出這種東西。即使做出來這種東西,光是摩擦力之巨,就註定你不可能推動它。

第二,可以把這根棍子想像是一根長長的彈簧,因為物體都不可能是基本粒子緊挨在一起的,物質的結構,你可以想像是一個彈簧裝置。

第三,有朋友說,力在棍子裡面的傳播速度是有限的。這個說法其實是不嚴格正確的。力是物體間的相互作用,所以,沒有什麼力的傳遞速度這種說法。力是相互作用的結果,如果物體(比如這根棍子)是剛體,那麼力的作用可以是暫態的,即可到達。

剛體,是指在運動中和受力作用後,形狀和大小不變,而且內部各點的相對位置不變的物體。絕對剛體實際上是不存在的,只是一種理想模型,這個東西只存在物理書中的那個「小滑塊」。

因為任何物體在受力作用後,都或多或少地變形,如果變形的程度相對於物體本身幾何尺寸來說極為微小,在研究物體運動時變形就可以忽略不計。把許多固體視為剛體,所得到的結果在工程上一般已有足夠的準確度。但要研究應力和應變,則須考慮變形。由於變形一般總是微小的,所以可先將物體當作剛體,用理論力學的方法求得加給它的各未知力,然後再用變形體力學,包括材料力學、彈性力學、塑性力學等的理論和方法進行研究。

因為一切的物體都不可能是剛體這種理想狀態,我們就要考慮物體的形變問題。

我們要清楚一點,在現實中,所有固體物質中粒子之間相互作用都類似於彈簧,所以,我們已經討論的是波(形變)造成的群速度。我們只能說是,我們推動這個棍子,我們施加的力,力的相互作用以波的形式在傳遞出去,然後波逐漸傳遞、傳播到棍子的另外一段。

光速是真空中傳遞最快的速度,而波在介質中的傳播速度,是不可能超過光速的。如果你推動一根棍子,無論這根棍子的長度是多少,幾光年也好,你施加的波的傳遞速度的上限是音速。無論你如何推動這根1光年的棍子,傳遞波的速度就是音速,等棍子的另一端接受到這股波,那是很遙遠的時間之後了。

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