有一个长一万光年的棍子,在一端推它一下另一端的人会立刻查觉到吗?能超光速吗?

比邻星上的黑旗帜



自从爱因斯坦在狭义相对论中提出光速不可被超越并从理论角度给出证明之后,地球上关于“超光速”的设想瞬间就多了起来,以至于在狭义相对论发表一个多世纪后的今天我们仍然能看见企图“超光速”的实验。

首先题主所说的1万光年长度的棍子在我们的宇宙中是不可能存在的,因为宇宙中不可能存在绝对刚体。并且1万光年长度的棍子质量肯定十分惊人,甚至这根棍子有可能在制造过程中就会因为质量太大而坍缩成黑洞。



假如宇宙中真的存在一种由超级材料构成的,长度为1万光年的棍子的话,一个人再怎么推棍子1万光年外的人也是感觉不到的,因为力在传播过程中就完全消散了,并且由于构成棍子的基本粒子之间多多少少都是存在间距的,因此从物质可以被压缩的角度来看,棍子的另一端也是绝对不会动的。

推动棍子的速度原本就小于光速,甚至可能连音速都达不到,所以也就不能指望1万光年外的另一端会瞬间反应了。


爱因斯坦在狭义相对论中除了声明光速不可被超越外,还提到了“信息的传递速度不能超过光速”,而“1万光年棍子”在一开始就违反了“信息传递不可超光速”这一定律。

在我们的宇宙中,宇宙空间的膨胀速度和量子纠缠的速度都是超过光速的,但它们都没有传递信息,因此不违反相对论。


宇宙探索未解之迷


有一个长一万光年的棍子,在一端推它一下另一端的人会立刻查觉到吗?能超光速吗?

为了超光速啥脑洞都有,一万光年的杆子有多长哦,即使真有也会因为受到各种天体的引力作用弯曲了,毕竟一万光年内星系还是很多的,当然今天不用相对论,也不用史瓦西半径计算公式,直接从最简单的物理现象来解释这个能超过光速不?

其实宇宙中有一个“超级棍子”的案例,这就是M87星系中央的黑洞两极的等离子喷流,长达4900光年,当然距离1万光年还有些距离,但这已经是能找到的最长棍子记录了!

还是回到这根1万光年长的棍子吧,想必也只有悟空能任意长短的金箍棒能满足要求了;尽管举例的是神话传说,不过咱讨论的却是科学问题,因为我们生活在现实世界中!无论这个棍子用什么材料制造,完成后又放置在哪里,它都改变不了一个属性,即受外力作用时将会变形,即使再小的形变累计之后也将成为一个极为恐怖的数字,那么我们来假设下,如果这根棍子在收到无限大的推力时(保证能传输到1万光年以外),在每米的距离上仅仅只形变一个质子的距离,也许这已经是传说中的刚体了,想必也没有人可以找到如此高强度材料,那么来计算下:

质子直径:约为1×10^-16M

一光年为:9460730472580800米

那么一万光年为:94607304725808000000米

总形变为:9460.73M

也就是在推这根几乎无限长,用无限力推动时,它动总形变距离可达9.5千米左右!当然可以相信这不是你所关心的,因为各位会想象这形变9.5千米以后的传输速度,毕竟都推到9.5千米了,也不在乎再推几个千米!

但很抱歉,无论多大的力,它的传播速度都无法超过声音在这个近似于刚体的介质中,如果这个材料是钢铁的话,那么它的传播速度计算方式为:

V =√(E/ρ)

E 为钢材的弹性常数

纵波:E为杨氏模量,

横波:E 为切变弹性模量

ρ 为钢材密度:一般取值为:7.8×10^3 kg/m^3

根据常见钢材的性能参数,一般认为声波在钢材中的传播速度为:5100m/s

即5.1KM/S,这个速度甚至都不如旅行者速度高,到达1光年外都要数千年甚至上万年,更不要说1万光年了!

最后再提醒下,有静止质量的物体是无法达到光速的!


星辰大海路上的种花家


并不能。

暂不论这根一万光年长的棍子如何在地球环境下制造出来,就先假设它是刚体材质,那么由于刚体的定义,在受力时,其形状不会改变,内部各点相对位置也不改变,因此如果再刚体棍子的一端推一把,那么棍子的另一端会立即移动。

很显然,如果按照一定的约定条件,我们就可以利用这个棍子传递信息了。但问题在于,现实世界不存在刚体,物体受力形变是必须存在的。那么问题来了,这根棍子的另一端到底什么时候才能产生反应呢?

答案很简单,这得看棍子的材质了,如果是铁的,那么这个时间就是6亿年。

答案怎么来的?因为力在棍子里的传播速度就是该介质中的音速,大约是每秒5公里左右。

关于这一点,通俗点的理解,你可以将这根棍子看做一根超级长的弹簧,你对它施力,它就得形变,最后就是另一端移动,但这个过程得需要时间。

实际上,相对论在理论层面就已经规定了,信息和能量的传递速度不能超过光速,更不用说一万光年长的棍子了,超光速只是幻想。

期待您的点评和关注哦!


赛先生科普


超光速在同学们心目中是不灭的追求啊。本猫先给结论,一根棍子超光速,初中生是可以的,但如果你上了大学,就不行了。

突破初中生的极限,绝对刚体并不存在

同学们使用棍子的理由,其实是使用了中学物理的一个概念——刚体。所谓的刚体,也就是弹性模量无限大,也就是说,应力波在刚体里的传播速度是正无穷,刚体中力的传播将会是瞬时的。在中学阶段,所有的棍子都是按照刚体对待的,所以,题主的假设如果是初中生水平做作业,也不能说是错误的假设。

人总要学着长大嘛,初中生并不知道相对论和量子力学的时候,这样推论没错,但是,你一个上过大学的人啦,就得掌握知识点——世界上不存在理想的刚体,光速有其绝对的限制。如果现在还拿着刚体来反推光速,那就是本末倒置了。

来一个严肃的实验吧

简单的总结一下:一根 10000 米长的钢管,从这一头推了一下,另一头要 2 秒钟之后才会移动。

我们的实验不需要几光年长的棍子,我们取个十几米长的就足够了。

如图,整一个很长的圆棒,与支座之间的摩擦很小,圆棒上每隔一定距离贴一个应变计。然后同学们用大锤猛敲圆棒的一端,见证奇迹的时刻就来了!请问这三个应变计的读数会同时变化吗?

一锤子买卖的功夫,记录三个应变计的读数就完事了。实验做出来,三个应变计的读数是这样的:


这个可能难懂一点,我们放个简化一些的图吧:

横坐标是时间,纵坐标是应变计的读数。很明显,它们不是同步变化的,而是依次变化。两个应变计读数发生变化之间的时间,就是「力」或者叫「应力波」从第一个应变计所在的位置传播到第二个应变计所在的位置所用的时间。

应力波的传播速度跟很多因素有关,最理想化的估算,应力波的速度等于杨氏弹性模量与密度的比值再开根号。这次我们假设用的是钢管,那么普通钢材的弹性模量约为 200 GPa,密度大约为每立方米7.8吨,所以

也就是说,力在钢材中的传播速度大约为5000米每秒。和我们开头给出的结论是一致的。

再来一个不太严肃,但危险的实验

同学们算术比较弱一些,我比较理解,那么我们再做一个实验,比较危险,请未成年的小朋友在家长监督下进行。


去火车铁轨边上,如何在视线外,早一点判断火车要过来呢?

有经验的同学们会把耳朵贴在铁轨上听就知道了。原理就是因为声音在常温空气中的速度大约是340米每秒,而声音在铁轨里的速度大约是5000米每秒,远远大于空气中的速度。同学们当然可以先从铁轨上听到火车来的声音啦!

结语

同学们没事多听听火车,也别老想着推翻爱因斯坦好不好!


猫先生内涵科普


超光速是不存在,我们在棍子一段施加一个力,这个力在棍子里面的传播速度最快也就是光速,所以当作用力传递到棍子的另外一端时,时间已经过去了一万年。



自然界的力都可以统一到四大基本力里面,而力的作用被认为是某种粒子交换的结果。所以,这些力的传递速度最快也就是光速,不可能超过光速。而一万光年长的棍子,比太阳系的直径还要大10000倍。如此一个天文学单位长度的棍子,宇宙中根本不可能存在。即便是存在,那么这个棍子的质量也会无比巨大。假设该棍子的密度是p,直径尽量小一点,假设有5cm,则其质量为:

m=p*0.025*0.025*3.14*0.5*10000*9.46*10^15=p*9.3*10^16kg。

钢铁的密度也是7900kg/m3,则这个棍子的质量为7.3*10^20kg,是月球的1/100。



想要推动如此巨大质量的一个棍子,所需的力无疑也是巨大无比的。就像我们要推动月球一样,没有一个巨大的推力,基本上不可能撼动该棍子。所以我们推棍子一端的时候,仅仅是把一端弄的少许变性而已。等这种形变传递到另外一段,不知道要猴年马月了。


科学探秘频道



首先我们得先知道这是什么棍子,就算这是一个铁棍,也会因为宇宙空间中的引力而弯曲。这根棍子长达一万光年,一万光年中可包含大约100亿个恒星系,谁能保证这么长的一根棍子不会被其他行星和其他天体撞击呢?遇到一个黑洞或者大质量恒星,就足以把这根棍子截成好几节了。



想法是很不错的,但是考虑一下宇宙中的影响就不可行了,除非可以造出超级材料来,连黑洞都无法撕裂的材料,当然这种材料还得不能弯曲,必须一直是直的,还有就是这种材料的质量一定要轻,否则推不动。解决了以上的几个超级难的问题之后,就可以实现用棍子超光速通信了。

在我们的宇宙中,目前发现的超光速只有两种,一种是宇宙的超光速膨胀,就是说我们的宇宙现在正在以超越光速的速度膨胀。另一种则是量子纠缠,无论相距多远的两个相互纠缠的粒子,都可以完成实时通讯。

而光速不可超越是爱因斯坦从质能方程中得出来的,即一个有静态质量的物体,只能无限接近于光速,而不能超越光速。因为一个物体的速度越快质量就会越大,所需要的加速度就越大,消耗的能量就会越多。由此得出有静态质量的物质无法超越光速。


喜欢不要忘记关注订阅我们!——时间史。


时间史


超超超,超光速都是用嘴超的。一光年的棍子,推动其中一端,由于物质可压缩,另一端根本就不会动,能量在传递的过程中就消散完了,哪里来的超光速。

爱因斯坦相对论出现已经一个世纪了,在这100多年中,相对论解决了不少人类天文观测中难以解释的问题,相对论的正确性已经被确定,尤其是最近科学家们成功捕捉到引力波,也拍摄了黑洞照片,再次证实了爱因斯坦的伟大。相对论等现代科学理论中指明,有静质量的物体是不可能超光速的,消耗的能量是人类无法承担的。科学家们在观测宇宙的时候也发现,确实没有物质可以超光速(宇宙暴胀理论中的超光速问题忽略),只有一些中微子似乎能超光速,但是还需要持续验证。

所以题主的问题从一开始就不符合现代人类的理论,也不符合实际观测的结构。推动一光年棍子的一端,由于本身推的时候这一端的速度就很低,远远低于光速,即便这跟棍子是绝对的刚体,不能压缩,也不会弯曲,那另一端也只能以推动的速度前进。而现实是不存在的绝对的刚体,推动这样的棍子,它必然会弯曲,能量传递的过程中,由于压缩等,棍子内部的物质会发生摩擦等能量转移,推动的量还没有到达另一头的时候,就已经全部转换为热量等能量形式了,会消散在宇宙中。

这样超光速的问题实在是太多了,如果可以实现,科学家早就想办法造以跟很长的棍子,或者一个很大的轮子了,超光速不现实,在未来除非掌握虫洞,才有可能使人类能跨越时空间超光速飞行。


来看世界呀


爱因斯坦也太“笨”了,如此简单的“超光速”例子都想不到!你也太“聪明”了,如此简单明了就推翻了相对论!

玩笑归玩笑,但也能够说明且不说一万光年的棍子是否存在,即使真的存在,无论你如何推,都不可能达到甚至超过光速,不然相对论早就被推翻了!

之所以有些人总是用各种想象中的例子试图完成超光速,但无一例外都是在不切实际的想象中,不由自主地陷入到牛顿的绝对时空观中不能自拔,但他们不认为自己在用绝对时空观在思考问题!

实际上,推动一根长度一万光年的棍子,速度不仅远远达不到光速,甚至连音速都达不到,而且推动力在传递的过程中很快就分散然后消失了!

不然的话,我们中国人以跺脚,地球另一面的阿根廷人就会感觉到跺脚产生的震动,这也太疯狂了!

力的作用有很多种,最常见的引力传递速度确实正好等于光速,但我们用手完成的推动力的传播速度远远小于光速!

再说了,一万光年的棍子也不可能存在,如此长的棍子早就坍缩为黑洞了!所以少一些不切实际的想象,多立足于现实!


宇宙探索


首先,没有绝对刚性的物体。因此不管是什么材料,当达到一定的尺度就会产生形变。别说一万光年了,就是跨度几百米的铁桥,都会有变形。你拿根铁棒,感觉强度很大,但是当铁棒放大到一定长度,就会像面条一样软。

其次,任何物质都是由粒子组成的,而粒子之间存在着大量的空间,因此,当有力传递时,这个空间在微观上就会发生挤压或震荡,发生微弱的弹性变形。当物体的尺寸被放大,那么这个微观上的变形就会成为宏观可见的变化。而这个变化就是弹性变形。

假设有非常长的一根棍子,我们姑且不考虑是否推的动,就认为可以推动,但是这个力要传递到很远的地方同样是需要时间的,这个速度的理论上限还是光速,但事实上会比光速慢很多。

如果可以看到的话,就会发现从力的始发点,像波纹一样向另一端传递过去,直到达到另外一端。这就是力的传递。

再举个栗子,比如下面这张图,可能都见过实物,大家感觉是瞬间另一端的小球就动了,事实上是因为这个距离太短了。就像我们彼此说话,是不是也是瞬间就听到了呢?但是,如果两个人的距离足够远,就会感到声音的传递是需要时间的了。


寒萧99


这个这问题,我曾经想过,请教物理老师也没得到答案,只是说,你学多了就会知道。

后来我想明白了,我就用中学物理的观点来解释一下这个思想实验,当然需要一点相对论知识。本题题目说的并不严谨,他说的棍子其实是指一种思想出来的理想刚体。既质量趋于0,硬度无穷大,绝不弯折,拒绝形变。

任何信息或能量的传递不可能超光速!力的传递也不能超光速。这是相对论的铁律,我们必须尊重这个铁律。否则所有争论都变成了相对论是否正确?而没有意义了。

那么细心的读者会发现一个矛盾,既无形变的刚体传递力的时间一定是零,与传递距离大小没有关系,那么必然力是直接传递到一万光年外,而不需要时间。既出现了力的传播速度可以无穷大的结论。这与相对论光速不可超越直接矛盾。到底怎么回事?

那我们不妨假设相对论绝对正确,但是,力为什么没有直接传播过去?只有一个解释,那个所谓理想刚体出现了形变。这又于假设的无形变刚体相矛盾。对了,问题就出在无形变的假设上。

无形变刚体在理论上可以存在吗?根据初中物理的牛顿第三定律,我们就可知作用力和反作用力方向相反且大小相等。那么有人来推这个理想棍子,这个理想棍子反过来也会推人。这个反作用力的本质上从哪来的?不错,就是物体形变!例如,桌子上放的茶缸对桌面产生一个压力,桌面也会给茶缸一个支持力。而压力和支持力本身都是来自形变的弹力。

不形变就没有弹力!现在假设桌子就是无形变理想刚体。那么问题就清晰了,茶缸对桌面的压力还在,桌面因为无形变而没有弹性支持力。二力不在平衡,茶缸会向下运动,这时桌面又是怎么允许它向下运动的?荒谬的现象立刻就出现了。

所以,这个理想的无形变的刚体棍子在理论上就是不可能存在。既然存在形变,长距离的棍子也就变成弹簧,那么力的传播当然需要时间,速度不超过光速也就不难理解了。


分享到:


相關文章: