假如一根棍子足夠長,使它做圓周運動,它的線速度會不會超過光速?

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題主一定是想到了v=ω·r吧,只要角速度夠大,棍子夠長,那麼線速度就超光速了呢?


實際情況是:當物體接近光速時,普通的經典力學的公式大多數將不適用。此時的物體運動情況將由相對論來闡釋。對於接近光速的物體,它的本身長度是要發生變化的,通過洛倫茲變換,我們得出了接近光速時物體的長度的公式:
其中L0為物體原始的長度,V是物體的速度,C為光速。顯而易見,隨著物體速度的增加,物體的實際長度會縮短,即使有足夠長的棍子,當它的線速度達到光速時,棍子本身也變成了長度為0,質量巨大的一個質點,但此時,它的速度仍然不會超越光速。


一憂鬱的摳腳妹一

題主一定是受到線速度計算公式的啟發,線速度=半徑*角速度。從這個公式來推斷,當半徑增加到一定值,那麼乘以一個角速度,乘積是可以超越光速的。

其實這個線速度的計算公式只考慮了低速環境,即經典力學的情況下。在高速環境下,至少有兩點要素會影響這個公式的成立條件:

第一,\t現實中不存在“剛體”。“剛體”是物理學中為了簡化問題,而假想出來的一類物體。這類物體不會發生形變,物體上各個位置相互之間保持絕對不變,無論是撞擊還是施加加速度,整體的形狀都不會發生任何變化。題主假象的這個情景,就是旋轉“剛體”的情景。但實際上,現實中是不存在剛體這類事物的,一個棍子長到一定程度,旋轉中心的旋轉的力要通過棍子內部原子、分子間作用力傳遞出去,這個傳遞的速度非常有限,不僅無法超越或達到光速,對於一般的材料,這個傳遞速度也就是在聲速級別,其實速度是非常低的。所以一根棍子足夠長時,旋轉起來之後,這個棍子會旋轉成螺旋線,根本無法保持棍子的形狀。

第二,\t即便採用“棍子是剛體”的理想假設,就得考慮到相對論效應,棍子旋轉之後,線速度越大的位置相對論效應越明顯,所處的時空會發生彎曲,整體的速度上仍然不會超越光速。一個很明顯的效果就是,棍子末端會產生明顯的引力波信號……


看風景的蝸牛君

之所以會有這樣的疑問,主要是因為題主把「棍子」看成了一種理想的「剛體」。理想的剛體是一種可以忽略形變的固體——注意,把形變忽略掉這本身就是一件不合理的事情,我們常常會在生活中看到發生形變的棍子。

對於理想的剛體而言,其內部質點與質點之間的距離都不會改變,如果這種剛體真的存在,那麼的確有可能會遇到違背相對論的情況。但這種理想的棍子真的會存在嗎?理想剛體的這種近似是有條件的,只有當物體的運動過程比固體中的彈性形變的傳播要慢得多的時候,理想剛體的條件才能成立。也就是說,如果棍子的形變非常快,而運動非常慢的時候,才有可能可以適用剛體的條件,然而這對於實際的棍子來說顯然是不成立的,一根棍子常常很容易就發生形變,而且這種形變恢復的速度也並不是即時的,形變的傳播需要一定的時間,這種傳播就會導致棍子上各處的形變有一定的先後順序,例如遠端的形變相比近端會出現滯後的現象。

綜上所述,理想的、絕對堅硬的「棍子」的存在違背了相對論,這種棍子本身就不存在,這種棍子本身不存在,也就不存在超過光速的問題。


傅渥成

當一根棍子長到一定程度,你肯定是揮舞不動的,就算能揮舞動,棍子也會斷。如果再理想化一點,棍子不會斷,你也足夠有力氣呢?結果還是不會超過光速。

首先,要明白力的傳播速度為光速。這得從力的本質說起,構成世界的四大力,強相互作用力,弱相互作用力,電磁力力,引力。當你揮動棍子的一頭,另一頭跟著運動,是因為棍子裡的分子或者原子之間的相互作用力,比如原子間的鍵,它使兩個原子離得太遠會受到吸引力,離得太近會受到排斥力,這也是一種電磁力,力的產生是兩個粒子之間相互交換玻色子。兩個粒子之間要產生電磁力,是通過兩個粒子之間交換光子實現的,而光子的傳播速度是光速,引力電磁力的傳播速度也是光速。比如兩個粒子電荷放在一起,他們之間是有力的作用的,可是突然改變一個電荷的位置,另一個電荷是不會馬上感應到這種力的作用的,這種力的變化會以光速傳播到它的身上。看似很快,但是到了宏觀世界,比如題主說的很長的棍子,及使你在一頭揮舞,另一個也不會馬上感應到開始動,說不定要很多年後才能感應到這種力,也說是宏觀來看,棍子已經變成繩子了。

再來說說超過光速的問題,及使前面那些問題都沒有,也不可能超越光速,問這個問題的題主一定還停留在經典的速度變換裡,也就是時速40的車上發射一顆時速100的子彈,它的速度還是140,其實這個變換忽略了一個係數,這個係數在低速情況下很小,使之看起來是正確的,但是到了宏觀高速情況下就不得不正式這個係數了,此時的變換得遵從狹義相對論。光速上的汽車無論向前還是向後發射一顆光速的子彈,子彈都是光速,而且是在任何參考系都是如此,0.9倍光速的汽車向前發射0.9倍光速子彈,子彈的速度也就是0.9倍多一點,比如0.95倍,具體多少懶得算,但是不會是1.8倍光速。所以無論揮動棍子會有多大的速度疊加,棍子的端頭都不會超過光速當速度越快,棍子端頭的時間和空間就會壓縮的越嚴重,越接近光速,棍子就會被壓縮到越細,質量也會越大。

總之光速是宇宙給所有東西設置的一個速度上限,任何物質和信息的傳播都不能超過光速(量子感應除外)。即便是量子感應,也只能傳播一個量子無規律的運動信息,想人為改變量子的運動來傳播人為的信息,必定會破壞這種感應,所以,別想著超過光速去了解世界,光速把我們限制在宇宙的一個很小的範圍內,就像一個孤島一樣。文明在宇宙中就是一個個孤島,永遠聯繫不上。有人會想著蟲洞旅行來超越這種束縛,但是也是不可能的,扭曲時空的強大蟲洞,任何物質通過都會變成粒子亂流或者變成純粹的能量


Rainninglove

問題表達的意思是讓棍子達到某個角速度的情況下,基於圓周運動線速度公式v=wr,只要r增加到一定長度,v就能達到光速,由此猜想再長一點的棍子,端點就超光速了。這是經典物理思考問題的方式。

回答(推翻)這個問題(猜想),用剛體或者力的傳遞速度低於光速都不合適。只要材質足夠牢,即便是繩子,慢慢加速,時間足夠長,頂端也能逐漸加速。

我覺得比較靠譜的一種回答是關於向心力的,先在經典物理理論的框架內思考問題。當棍子足夠長時,棍子質量非常大。用向心力公式F=mω2r(r是半徑,ω2表示角速度的平方)可以得知相同的角速度下,當棍子長度增加,質量m肯定增大,向心力F與m、r的乘積成正比,增長特別快,以至於棍子長度達到一定程度,內部分子間作用力無法承受而斷裂。稍有常識的人肯定明白,即便是碳纖維或者航空材料也經不起“足夠長”的考驗。

好了,肯定有人會問,假設棍子抗拉強度大得驚人,就是想看看會不會有理論上超光速的可能。

二話不說,我們繼續推動棍子加速。當棍子兩端線速度接近光速時,兩端的質量開始顯著增加,並且趨向無窮大。這時,向心力再次無法迴避,此時向心力公式在相對論範疇中是
,其中



當v接近光速時,棍子頂端質量接近無窮大,你靠什麼提供向心力?這時候,棍子即便是金箍棒也不頂用,在這麼大的拉力下,直接斷裂。(以下我就天馬行空了)注意到沒有,棍子兩頭存在等效於星球級別的引力,如果它們之間的引力不足夠拉住對方,它們就各自往相反方向成弧線彈射出去,速度低於光速,遊戲到此結束;如果它們之間引力足夠強,圓周運動會繼續下去,由於質量巨大,且速度接近光速,宇宙中泛起引力波漣漪…… 可惜還是沒能超光速。

棍子斷了不好玩!好吧,我徹底不讓它斷,也不讓它有質量,這樣可以在兩端實現光速運動(沒有質量的物體是可以達到光速的,嘢!)這時,我們來試試超光速,沒有質量的我在其中的一端上,我努力地站了起來(離圓心更遠),需要思考:

1、我的身體是不是超光速了?

2、從一端看圓心,圓心在做什麼運動?如果我站起來,看到的圓心在做什麼運動?

3、從一端看,另外一端在做什麼運動?

今天我只能想到這裡了。(2017年11月3日臨晨)

繼續,上次最後假設沒有質量的棍子兩端最後線速度達到了光速,如果各位認同,我暫且只研究兩端的情況。

一個零質量以光速為線速度作圓周運動的物體其實是很難研究的,這不是一個慣性系,是一個加速度數值恆定,但方向一直在變的加速運動。當初愛因斯坦發表了狹義相對論後也相當困惑——理想的慣性系不存在,比如人由於地球自轉在做圓周運動,地球有繞著太陽運動,太陽繞著銀河系運動,人的運動軌跡相當複雜,造成的後果就是狹義相對論的公式無法套用。還好愛因斯坦最終發現了加速度與引力場的等效性,從而開創了廣義相對論,並且被無數實驗證實是正確的。



在這裡,我們也很幸運,這個以光速做圓周運動的模型,很容易讓人想起黑洞!不是嗎?光恰好不能逃離,只能做圓周運動,不就是史瓦西半徑嗎。




結論是啥?你要是能從黑洞中爬出,我就能用黑洞物質做根棍子,咱倆配合一下,這事準成😀

補1:對於我在棍子一端看棍子中心和另一端的運動情況,我們可以從月球的角度思考,如果站在月面的中心,月球的一面永遠向著地球,抬頭看,地球一直在頭頂上,這和我在棍子一端很相似,如果地球相對月球不轉,情形就一樣了,在這種情況下,人站在那裡看到地球是靜止的。我這一端和月球一樣是非慣性參考系,看到的中心點和另一端是相對靜止的。

補2:實際上,由於我等效在黑洞表面做光速圓周運動(根據公式推導,光子實際在黑洞表面無法保持圓周運動,一定會墜入深處,大家知道一下,別被我誤導了)中心是看不到的。本來我打算就此打住。但細想下去發現有些很有趣的現象,拿來和大家一起探討。為了能看到黑洞中心,我大膽讓時光倒流,這樣光線能從奇點出發進入我的眼睛。這時黑洞變成了白洞,就能看到奇點了。

想象我們兒時玩的玻璃球,你一定記得中間的裝飾是被放大的。所以奇點也會被放大,是一個圓面,有多大?你儘管大膽去猜!我就賣個關子。有常識的朋友認為零維的點放大還是零維,我看未必。由於光線可以從各個角度落入奇點,所以黑洞在我看來折射率異常大,時光倒流的情況下,我們無論從哪裡看最終看到的都是奇點射出的光。你猜到有多大了吧?

同樣我們可以思考棍子另一端的情況。雖然無法直接“看到”,但我在另外一端的外面,也就是黑洞表面的外面點一盞燈,幫助我們思考問題。由於光線被強大的引力束縛,必然有一部分光線由於角度問題還是會墜入黑洞,其中也必然有一部分光從我這一端墜入黑洞,所以我能看到這盞燈。假設黑洞對稱的兩端是靜止的,那麼在我這一端從四面八方都能看到燈光,而且就在黑洞地平線上,也就是說我看到的燈光是一個白圈緊緊包裹著黑洞,並呈現了燈的每一個角度(除了底端)!由此推理,我看到的黑洞地平線,應該就在燈下面,是不是就是黑洞的背面呢,是不是正背面那一點變成了一個黑圈!如果這麼想,當我們接近黑洞時,看到的黑洞是一個將其背面展開的黑洞!

真的是這樣嗎?其實,黑洞地平線附近(上面)折射率之高,你儘管大膽想象,外界的任何光線都會在那裡匯聚,你甚至掃視一圈,可以看到自己的每一個角度!所以,在黑洞表面看地平線是個奇特的地方,每一個角度看過去的地平線,是那個方向上環繞一週地平線的堆疊並擠壓在一起。

補3:綜上,我對我們看到的“黑洞”當下的理解是:我們看到的黑洞整體上就是放大的奇點,史瓦西半徑和奇點之間的空間“視覺上”被擠壓在史瓦西半徑內側附近,外部的光明世界在史瓦西半徑外側附近層層堆疊重複。這個史瓦西半徑視覺上偏大,越靠近視覺觀感越大,當通過邊界後,它會在後方迅速合攏,整個世界“視覺”上被奇點籠罩!

不好意思,補充的內容太發散,偏題了。


熊心波波

且不論有沒有這麼長的棍子,即使有這麼長的棍子,也無法使其達到光速:要使棍子轉動起來,必須有力的傳遞,力的傳遞是依靠機械波進行的,而機械波的傳遞速度遠遠低於光速。

這個思想實驗我們可以這樣轉換一下:這根棍子我們可以換成一束激光,將激光射向月面邊緣的A點,然後迅速的轉到月面另一邊的B點,然後我們測量光斑在A、B兩點間傳遞的速度,哈哈,我們能得到一個大於光速的速度!

這違背了相對論了嗎?你想多了……

相對論是這樣描述的:信息不能大於光速傳遞。

我們看一下在這個過程中A、B兩點間有信息傳遞嗎?並沒有!所以這並沒有違背或者推翻相對論。

其實超光速現象在宇宙中並不罕見,但都沒有信息傳遞。例如:宇宙空間的膨脹速度就是超光速的,我們宇宙誕生了約137億年(算法不同,有幾個時間,取了一箇中間值),但我們觀測到最遠的距離有460億光年。所以宇宙膨脹速度遠遠大於光速。而且膨脹速度還在加快。

只要不攜帶信息,超光速就是被允許的,宇宙膨脹、量子力學的波函數、快子等超光速是不違背狹義相對論的。


講科學堂

實際上,光不是根棍子,也不是這樣運動的。

如果要假設以棍子為中心點,那麼以棍子長為直徑圓才是實際的中心點。

點是沒有大小的,你這種比喻假設是不恰當的。

所以你的假設推演出的超光速是建立在錯誤的相對參照關係上的。

參照相對必須是獨立的單位相互參照,你以棍子本身為參照,只能以棍子本身縱向和橫向為參照。

即棍子兩端的縱向,而不是兩端的相對速度。

就是沒有橫向的軸轉動。不管你把棍子兩端轉的多快,只要橫向沒滾動,那棍子縱向速度為0,因為棍子兩端距離和空間沒變化,兩端的面處於相對的靜止,所以相對速度為0

如果同時出現橫軸滾動,水平面傾斜,這才是空間的速度出現。不過棍子作為一整體而言,只移動了很小距離。速度很小。

但同時兩端面轉動就可以與橫滾動形成大小值對比速度,成為一個確定獨立單位。

這個時候才可以和其它對應個體,形成與光的參照關係。

但整體絕對速度不會大於光速。

除非你把棍子從轉的密不透水,轉到密不透光。


夜貓子222859756


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