一根30万公里长的棍子,如果挥舞起来,末端速度能否超光速?
爱因斯坦曾下定结论,光速是宇宙中速度的上限, 任何物体的运动速度都无法超过光速 ,许多人对这个理论抱有质疑态度,并且还想了一些超越光速的方法:
比如一个足够长的棍子
假如把一根长达30万公里的棍子一端沿固定点旋转,就像在挥动它一样,那么当我一秒挥动一周时,根据圆周长公式可以计算出棍子的 另一端线速度为每秒188.4万公里 ,相当于六倍光速。
这样来看只要棍子足够长,速度也会越来越快,超越光速岂不是轻而易举? 然而事实真的是这样吗?
首先在现实世界中,我们根本找不到不会变形的 绝对刚体 ,即形状不会发生改变的物体,任何物体在受力后,都会或多或少的变形,只不过平时我们会施加的力都不大,变形可以忽略不计,因此可以近似的把物体看作刚体。
比如当我们把手扶在铁棒上时, 铁棒的形变可能只有几个金属原子那么大 ,当然难以发现形变。
不过假如物体再大一点,事情就不一样了,即便是浇筑水泥的钢筋,在长达数米后挥起来也会像鞭子一样甩,形变开始异常明显起来,也许有人说是钢筋太细了,我们的棍子可以造的粗一点,但在生活里我们有时能看到当风刮的太大时, 矗立的高楼也会发生微微的摆动 ,更别说长达几十万公里的棍子了。
这是因为当物体受到外力变形时,它的内部也会产生相互作用力,被称为机械应力,这种力使它们恢复到变形前的初始状态,受到机械应力的作用, 这根30万公里的棍子一定会断裂, 所以首先把它挥起来就不现实。
不过既然是思想实验, 就假设我们的确拥有一根绝对刚体的棍子 ,它不会发生形变和断裂,那这样是不是就能超光速了呢? 当然不是,物体的运动可能和你想的有些不一样。
我们在日常生活中拉动一根棍子,能看到棍子的末端也会同时移动,因此你可能会认为棍子所有部分的运动都是瞬时的, 但事实并不是这样 ,你对着棍子用力时,受力的局部会首先获得加速度开始运动,并且在内部扩散出一道机械波。
扩散波到达哪里时,哪里才开始运动。
橡皮绳的运动能更直观的展现这一过程,拽它的时候,它的任何部分都是先变形然后再运动,其他任何物体也是一样的原理,需要力在其中传播,只不过传播的时间很短,我们感受不到而已。
力的本质是一种波,它的传播速度和物体的密度有关。比如力在木棍中的传播速度只有500米每秒,但在铁棍中却达到了5000米每秒,但力作为一种机械波, 它最快的速度也无法超过音速, 所以当你挥动这根30万公里长的铁棍时,按照每秒5000米的速度,力到达末端的时间大约需要60000秒,即16.66个小时。
并且绝对刚体不能形变,无法传导机械波,所以当你试图挥动这根铁棍时,无论挥的速度有多慢,都要在瞬间把力施加到整个物体, 传递该信息时已经超越了光速, 根据狭义相对论,需要无穷大的能量才能完成这件事。
所以光速不可超越,并且宇宙中只有光能达到光速,其他任何物体都不可能达到光速,光能达到光速是因为光子静止时质量为0,其他任何物体静止时都有质量。
只要有质量, 想要加速推动它就需要越来越多的能量 ,加速到光速时则需要无穷大的能量。爱因斯坦得出这个结论经过艰难且复杂的过程,推翻它就等于推翻了相对论。
所以仅仅通过一些猎奇的想法就想打破它,显然不太可能。
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