一条足够长且塞满钢珠的管道,一头再塞入一个钢珠,瞬间另一头掉落一个,把这当做信息传递,是否超越了光速?

烟花ヨ那麽凉


先说下答案:信息的传递速度不能超过光速。

其次题主假设的这个实验,其实可以再升级一下,我们将钢珠直接换成实心钢柱,并且将钢柱的长度定为一个有限的任意长度,在此前提下,如果我们推动钢柱的一段,那么另一端是否会立即移动?

在日常实际中,这个问题的回答好像就是“另一端会立即移动”,但实际上,力在物体内的传播速度并非无穷大,以钢柱为例,力在里面传播的速度大约5000多米每秒,和声音在钢柱内的传播速度一致。(力的传播速度则与材料的弹性模量有关)

因为绝对刚体是不存在的,因为你可以将钢柱想象成一个“弹簧”,这样应该就好理解为什么钢柱两端的移动并不是同步进行的原因了。

同样的,如果回到题主的环境中,假设放满钢珠的管道有1万公里长,我们在一端塞进一个钢珠,那么另一端发生钢珠掉下现象,会在大约32分钟后出现。(就是声音在钢材内传播1万公里长度的耗时)

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赛先生科普


当我们以较短的钢管比方说几米长的钢管实验时,你感觉刚一塞入一个钢珠,另一端就掉出来一个,似乎是同时发生的,其实不是,只不过是其中的间隔时间太短,我们没有感觉到罢了。

但是,如果是一截5000公里的钢管,这样你在试试呢,你会发现你居然摁不动?是的,你没有那么大的力气摁一个钢珠塞进去,因为你的力气无法对抗的了那么多的钢珠与管壁之间的摩擦力。

但,这是思想实验啊,可以忽略,试着在理想情况下会怎么样呢?

在绝对光滑的管壁上塞下多余的那一个钢珠,会在同时刻使另一边的一个钢珠掉落吗?不会的,因为力的传递是需要时间的,力不是瞬时作用。自然界有四种力,抛开强力、弱力、引力,压力是什么力呢?

压力是属于电磁力的范畴,因为总共就这四个力,排除法也知道了。

所以,一个钢珠推动另一个钢珠再去推动另外一个钢珠,这其中力的传递是需要时间的,最快是光速,不会超过光速。

所以题主你的这个思想实验以失败而告终。


科幻船坞


一条足够长且塞满钢珠的管道,一头再塞入一个钢珠,瞬间另一头掉落一个,把这当做信息传递,是否超越了光速?

这个话题比较有趣,因为这个问题看上去非常具有迷惑性,足够长的管道,塞满钢球,进一个那么肯定会出一个,那么在某个长度上会超过光速?果真如此吗?其实这就是有两个误区了,一是当成了刚体来考虑钢球,二是即使刚体,也无法超过光速,那是为什么呢?

第一个理由很简单,因为装钢球的管子越长,那么推动钢球的力就会越大,那么最终钢球的摩擦力将大于钢球这个不太理想的“刚体”彻底形变的程度,那么此时推动一个钢球进去,另一头并不会出来钢球,因为这个钢球进去的位置被变形的钢球给吸收了!我们用一个简单的比方即可将此计算出来,比如一个钢球的直径是10MM,假如每个钢球形变0.001um,那么1000000个钢球的长度,即1000M长的管道即可吸收一个钢球的形变!此时,推进去的钢球不会传递任何信息!

那么假设钢球是一个不会形变的刚体呢?我们先来看看推动钢球运动的是什么力?自然界就是这四大基本作用力,推动钢球的明显不是引力,也不是弱相互作用力,更不是强相互作用力,那么剩下就只有电磁力!电磁力在介质上传播速度非常有限的,比如我们推动物体,物体再传递到另一个物体,这个速度就是声速!比如我们日常所见的推力、拉力以及扭矩等都是属于这一种力!它们的本质分子之间的电磁力相互作用在宏观上的表现!而我们推力这种宏观上有些搞脑子的力,起到传递作用的介质中粒子电磁相互作用的方向性传递,这个速度就是声速!

所以这种方式想超光速?超音速都不可能哦,是不是想简单了?


星辰大海路上的种花家


并不是超过光速,这个问题在于题主将力的传递速度认为成是瞬间完成。

在坚持信息传递不能超过光速的一个前提下,我们仔细来讨论这个问题。

如果说一根无限长的管道中塞满了无数钢珠,那么一头塞入一颗钢珠的时候,必然会先挤压旁边的钢珠,接下来就一颗挤压一颗,所以这个问题的本质其实就是力的传递速度。



很多人认为力的传递是瞬间完成的,其实不是。如果简单来说力的传递速度,那就是一根 5000 米长的钢筋,一个变形金刚从这一头推了一下,另一头要 1 秒钟之后才会移动。


如果从公式上来看,力的传递速度等于杨氏弹性模量与密度的比值再开根号。所以钢材中力的传递速度大概就是5000米每秒。其实这也说明为什么刚体不会存在,所谓刚体就是弹性模量无限大,所以刚体中力的传递速度就会是无限大,也侧面说明刚体的理想性。

总之,任何信息的传递速度不可能大于光速!但研究力传递速度是有意义的。


科学认识论


这个问题其实把钢珠看成了刚体,但是实际上刚体是不存在的。下面我来详细讨论一下。


1、刚体中力的传播

刚体是力学中的一个假想的物体,他具有永不变形的特质。即:不管外力多大,刚体本身都不会发生任何变形。正是由于这个特征,让刚体的传力没有任何的延迟。如下图,左边的力,通过浅蓝色的刚体,可以瞬间传递至右边深蓝色的物体上。

因此,如果以刚体模型,这个力的传递速度是不需要时间的,瞬间完成,显然超过了光速。

2、变形体中力的传播

变形体是实际中真实存在的物体。力在作用于变形体上后,力的作用点附近由于力的作用而发生改变,这个改变需要时间。作用点的介质首先开始发生变形,然后挤压附近的介质,让附近的介质也开始发生变形,并且逐渐扩散出去,就好像水的波纹一般,因此我们称之为应力波,如下图。

地震中的横波纵波就是属于应力波。震源处发生振动,岩层间发生相互作用力,这个力以应力波的形式在岩层中传播出去。横波速度慢(破坏性大),纵波速度快。当地表感受到上下颠簸时,马上撤退,利用时间差,可以逃命。

3、应力波的波速

正如上所述,应力波的传播是介质响应快慢的关系,即介质之间的作用力与反作用力。此外,由于惯性,后面介质的运动要滞后前面的介质。

推导波速的过程非常繁琐,这里直接给出一维应力波波速的答案,如下图。波速与密度有关,也与材料的应力应变增量有关。后者的微分算子,如果考虑线弹性,就是材料的弹性模量。所以,一维应力波波速与密度和弹性模量有关。

针对本题中的钢,其密度约7800kg/m3,弹性模量约200GPa,由此得到波速约5km/s,距离光速3e5km/s还差很多。即:在钢中,力从端段传到另一端,其速度约5km/s。

4、总结

钢球不是刚体,力在钢球中的传播速度与其密度和弹性模量有关,其值约5km/s。所以,根本没有超过光速。


力学Nerd王小胖


一条足够长且塞满钢珠的管道,一头再塞入一个钢珠,瞬间另一头掉落一个,这是基于人类生活经验形成的一种狭隘“经验”。

我们日常生活中接触到的物体的量级都太小了,以至于我们感觉推动物体的一端,物体的另一端也会“瞬间或者同时“动起来。

殊不知,力在物体重的传播也是有速度的,而力的传递方式则是以波来实现的,这和声音传播的原理是一样的。

实际上,力在物体中的传播速度正是声波的速度。

以这个问题为例。

声音在钢铁介质中的传播速度大概为每秒5000多米,因此,我们做实验用一个半米的管道,就会感觉另一头的钢珠是瞬间掉下来的。

但如果管道足够长,达到50公里呢?

那另一头的钢珠理论上就会在10秒钟之后才会掉下来。

很难理解是不是?明明连在一起,为什么不一起动呢?

其实道理很简单,换成水你就好理解了。

你在水池的一边扔一块石头,水波是不是要过一段时间才会传到另一边?

同理,之所以你难理解,是你觉得钢珠是绝对刚性的,不会有任何的弹性和形变?

世界上,没有任何物质是绝对刚性的,因为任何物体都是有分子和原子构成,粒子之间的结构再稳定,也是会受到力的作用的。

所以,钢珠之间的推力波传递并不会存在超光速的结果。


薇父私房


评论中的大多数都在说现实没有绝对刚体,力的传递需要通过形变传递,所以不会超光速。

那么有没有想过,光的传递也许不是光珠子实际发生位移,而是一串光子像钢珠那么排列,推动前端一个光子,最后接收倒的是后端光子传递的能量呢?

同样因为光子也不是绝对刚体,所以才会速度限制在光速以下。

这样一来要产生超光速运动,只需要有比光子更好的传递材料就可以了。

通过交流电的运动和速度,我们发现电的传递速度几乎等同于光速,但是电子的运动,不是实体运动,而是牛顿摆钢珠的传递模式。

电的速度等于光速就显得很突兀,目前认为光子是实体发生运动,而电子不是实体运动。

两者速度只能说接近,因为我们在量子级别的测量精读不够。

更主要的,如果光子不是实体运动,也是电子的传递模式,两者速度接近就很好理解了。

真空不空,如果密布着排列的光子,传递能量也发生一定的光子位移,就能够解释更多的光的现象,而不局限于光是粒子还是波动的唯一性。目前的波粒二象性,已经被证实不是光的独有特性,物质波的证实,意味着光不是波,还是粒子。


nqeebxyooj


爱因斯坦相对论关于光速有下边两个描述:有静止质量的物体达不到光速;信息的传递速度速度不能超光速。

图:牛顿摆

先声明一下这个问题跟牛顿摆没什么关系。题目中的设定跟牛顿摆形式上比较类似,在一根钢管中装满钢珠,从一端塞进一个钢珠在另外一端就会掉出一个钢珠,如果钢珠是理想刚体、同时钢管足够长,那么就实现了“超光速”。

但实际上都说了刚体是理想状态,现实生活中根本不存在,力在钢珠中的传递速度大约是5000米每秒。这就意味着一个力气无穷大的人在一端推钢珠,另一端的钢珠并不会立刻就掉落下来,力是在传递中的。同时钢珠之间会有弹性变形,如果钢管太长钢珠太多的话甚至会发生塑性变形,所以只放进一个钢珠另外一头可能并不会有钢珠掉落下来。

现在关于超光速的问题已经有两个例子了,宇宙的膨胀速度和量子纠缠的速度,但是这两个并不违反相对论。一个膨胀的是空间,一个并不能进行信息传递。



科学黑洞


其实题设不用搞得这么复杂,此类假设的无数种变形早就有人提出过了,只不过那些懂物理的人根本没有把这个当作问题,因为这个问题是建立在缺乏力学知识的基础上的

力的传递需要介质,而任何力作用于介质都会使其产生形变,在这个过程中,一部分力被消耗掉,另一部分力会以介质形状的恢复或者位置的改变的形式被传递出去。打个比方,用手拉橡皮筋会使它变长,松手之后橡皮筋又恢复了原本的长度,这就是力作用于介质的表现

橡皮筋的效果拓展到其他任何介质也是一样的。比如我们用手去拉一根钢筋,看起来似乎没有任何变化,其实在一端施加的力已经使这个点的钢筋发生了形变,然后这个形变以某一速度向另一端传递,只不过形变太小我们肉眼无法察觉。从一端到另一端的这个“时差”也太短暂,以至于我们的直观感受就是“同时”或者“瞬间”

把题设换成钢筋就更容易理解了。一根足够长的钢筋,比如长度是一百光年吧,在一端施加一个力,另一端并不会马上感受到这个力,钢筋也不会瞬间发生位移。也就是说,我们用手一拉,这根钢筋不会马上“动”起来,因为形变向另一端传递是需要时间的,而且跟光速比起来,这个速度也许会让你们很失望


天涯明月abc


一头塞入钢珠,另外一头并不会瞬间掉落,题主把这个大前提都搞错了,当然也不会有超光速发生了。

钢珠的位置变化是一个传递一个的,第一个受力移动驱动第二个,第二个驱动第三个,第三个驱动第四个,以此类推至到最后一个。这个过程中驱动力的传递是一个传一个的,而且力的传递是有速度的,最高也就是光速!所以如果真的管道足够长,当我们推动一个人弹珠时,最后一个弹珠要很久才会产生位移!因此也就没有超光速一说了!


这里需要记住的是,一旦距离很长,力的传播速度就不得不考虑了。距离短的时候,因为力的传播时间很短,所以可以忽略不计。但是一旦距离足够长,这个时间就必须考虑在内!就像引力一样,传递速度就是光速。太阳距离我们8光分,如果太阳突然消失,地球上八分钟时才会感受到太阳引力消失!这就是因为太阳对地球的引力,需要传递8分钟!



所以说,超光速并不存在。这已经是理论所证明的,我们也无需再想些歪点子超光速了。


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