有一個長一萬光年的棍子,在一端推它一下另一端的人會立刻查覺到嗎?能超光速嗎?

比鄰星上的黑旗幟



自從愛因斯坦在狹義相對論中提出光速不可被超越並從理論角度給出證明之後,地球上關於“超光速”的設想瞬間就多了起來,以至於在狹義相對論發表一個多世紀後的今天我們仍然能看見企圖“超光速”的實驗。

首先題主所說的1萬光年長度的棍子在我們的宇宙中是不可能存在的,因為宇宙中不可能存在絕對剛體。並且1萬光年長度的棍子質量肯定十分驚人,甚至這根棍子有可能在製造過程中就會因為質量太大而坍縮成黑洞。



假如宇宙中真的存在一種由超級材料構成的,長度為1萬光年的棍子的話,一個人再怎麼推棍子1萬光年外的人也是感覺不到的,因為力在傳播過程中就完全消散了,並且由於構成棍子的基本粒子之間多多少少都是存在間距的,因此從物質可以被壓縮的角度來看,棍子的另一端也是絕對不會動的。

推動棍子的速度原本就小於光速,甚至可能連音速都達不到,所以也就不能指望1萬光年外的另一端會瞬間反應了。


愛因斯坦在狹義相對論中除了聲明光速不可被超越外,還提到了“信息的傳遞速度不能超過光速”,而“1萬光年棍子”在一開始就違反了“信息傳遞不可超光速”這一定律。

在我們的宇宙中,宇宙空間的膨脹速度和量子糾纏的速度都是超過光速的,但它們都沒有傳遞信息,因此不違反相對論。


宇宙探索未解之迷


有一個長一萬光年的棍子,在一端推它一下另一端的人會立刻查覺到嗎?能超光速嗎?

為了超光速啥腦洞都有,一萬光年的杆子有多長哦,即使真有也會因為受到各種天體的引力作用彎曲了,畢竟一萬光年內星系還是很多的,當然今天不用相對論,也不用史瓦西半徑計算公式,直接從最簡單的物理現象來解釋這個能超過光速不?

其實宇宙中有一個“超級棍子”的案例,這就是M87星系中央的黑洞兩極的等離子噴流,長達4900光年,當然距離1萬光年還有些距離,但這已經是能找到的最長棍子記錄了!

還是回到這根1萬光年長的棍子吧,想必也只有悟空能任意長短的金箍棒能滿足要求了;儘管舉例的是神話傳說,不過咱討論的卻是科學問題,因為我們生活在現實世界中!無論這個棍子用什麼材料製造,完成後又放置在哪裡,它都改變不了一個屬性,即受外力作用時將會變形,即使再小的形變累計之後也將成為一個極為恐怖的數字,那麼我們來假設下,如果這根棍子在收到無限大的推力時(保證能傳輸到1萬光年以外),在每米的距離上僅僅只形變一個質子的距離,也許這已經是傳說中的剛體了,想必也沒有人可以找到如此高強度材料,那麼來計算下:

質子直徑:約為1×10^-16M

一光年為:9460730472580800米

那麼一萬光年為:94607304725808000000米

總形變為:9460.73M

也就是在推這根幾乎無限長,用無限力推動時,它動總形變距離可達9.5千米左右!當然可以相信這不是你所關心的,因為各位會想象這形變9.5千米以後的傳輸速度,畢竟都推到9.5千米了,也不在乎再推幾個千米!

但很抱歉,無論多大的力,它的傳播速度都無法超過聲音在這個近似於剛體的介質中,如果這個材料是鋼鐵的話,那麼它的傳播速度計算方式為:

V =√(E/ρ)

E 為鋼材的彈性常數

縱波:E為楊氏模量,

橫波:E 為切變彈性模量

ρ 為鋼材密度:一般取值為:7.8×10^3 kg/m^3

根據常見鋼材的性能參數,一般認為聲波在鋼材中的傳播速度為:5100m/s

即5.1KM/S,這個速度甚至都不如旅行者速度高,到達1光年外都要數千年甚至上萬年,更不要說1萬光年了!

最後再提醒下,有靜止質量的物體是無法達到光速的!


星辰大海路上的種花家


並不能。

暫不論這根一萬光年長的棍子如何在地球環境下製造出來,就先假設它是剛體材質,那麼由於剛體的定義,在受力時,其形狀不會改變,內部各點相對位置也不改變,因此如果再剛體棍子的一端推一把,那麼棍子的另一端會立即移動。

很顯然,如果按照一定的約定條件,我們就可以利用這個棍子傳遞信息了。但問題在於,現實世界不存在剛體,物體受力形變是必須存在的。那麼問題來了,這根棍子的另一端到底什麼時候才能產生反應呢?

答案很簡單,這得看棍子的材質了,如果是鐵的,那麼這個時間就是6億年。

答案怎麼來的?因為力在棍子裡的傳播速度就是該介質中的音速,大約是每秒5公里左右。

關於這一點,通俗點的理解,你可以將這根棍子看做一根超級長的彈簧,你對它施力,它就得形變,最後就是另一端移動,但這個過程得需要時間。

實際上,相對論在理論層面就已經規定了,信息和能量的傳遞速度不能超過光速,更不用說一萬光年長的棍子了,超光速只是幻想。

期待您的點評和關注哦!


賽先生科普


超光速在同學們心目中是不滅的追求啊。本貓先給結論,一根棍子超光速,初中生是可以的,但如果你上了大學,就不行了。

突破初中生的極限,絕對剛體並不存在

同學們使用棍子的理由,其實是使用了中學物理的一個概念——剛體。所謂的剛體,也就是彈性模量無限大,也就是說,應力波在剛體裡的傳播速度是正無窮,剛體中力的傳播將會是瞬時的。在中學階段,所有的棍子都是按照剛體對待的,所以,題主的假設如果是初中生水平做作業,也不能說是錯誤的假設。

人總要學著長大嘛,初中生並不知道相對論和量子力學的時候,這樣推論沒錯,但是,你一個上過大學的人啦,就得掌握知識點——世界上不存在理想的剛體,光速有其絕對的限制。如果現在還拿著剛體來反推光速,那就是本末倒置了。

來一個嚴肅的實驗吧

簡單的總結一下:一根 10000 米長的鋼管,從這一頭推了一下,另一頭要 2 秒鐘之後才會移動。

我們的實驗不需要幾光年長的棍子,我們取個十幾米長的就足夠了。

如圖,整一個很長的圓棒,與支座之間的摩擦很小,圓棒上每隔一定距離貼一個應變計。然後同學們用大錘猛敲圓棒的一端,見證奇蹟的時刻就來了!請問這三個應變計的讀數會同時變化嗎?

一錘子買賣的功夫,記錄三個應變計的讀數就完事了。實驗做出來,三個應變計的讀數是這樣的:


這個可能難懂一點,我們放個簡化一些的圖吧:

橫座標是時間,縱座標是應變計的讀數。很明顯,它們不是同步變化的,而是依次變化。兩個應變計讀數發生變化之間的時間,就是「力」或者叫「應力波」從第一個應變計所在的位置傳播到第二個應變計所在的位置所用的時間。

應力波的傳播速度跟很多因素有關,最理想化的估算,應力波的速度等於楊氏彈性模量與密度的比值再開根號。這次我們假設用的是鋼管,那麼普通鋼材的彈性模量約為 200 GPa,密度大約為每立方米7.8噸,所以

也就是說,力在鋼材中的傳播速度大約為5000米每秒。和我們開頭給出的結論是一致的。

再來一個不太嚴肅,但危險的實驗

同學們算術比較弱一些,我比較理解,那麼我們再做一個實驗,比較危險,請未成年的小朋友在家長監督下進行。


去火車鐵軌邊上,如何在視線外,早一點判斷火車要過來呢?

有經驗的同學們會把耳朵貼在鐵軌上聽就知道了。原理就是因為聲音在常溫空氣中的速度大約是340米每秒,而聲音在鐵軌裡的速度大約是5000米每秒,遠遠大於空氣中的速度。同學們當然可以先從鐵軌上聽到火車來的聲音啦!

結語

同學們沒事多聽聽火車,也別老想著推翻愛因斯坦好不好!


貓先生內涵科普


超光速是不存在,我們在棍子一段施加一個力,這個力在棍子裡面的傳播速度最快也就是光速,所以當作用力傳遞到棍子的另外一端時,時間已經過去了一萬年。



自然界的力都可以統一到四大基本力裡面,而力的作用被認為是某種粒子交換的結果。所以,這些力的傳遞速度最快也就是光速,不可能超過光速。而一萬光年長的棍子,比太陽系的直徑還要大10000倍。如此一個天文學單位長度的棍子,宇宙中根本不可能存在。即便是存在,那麼這個棍子的質量也會無比巨大。假設該棍子的密度是p,直徑儘量小一點,假設有5cm,則其質量為:

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

鋼鐵的密度也是7900kg/m3,則這個棍子的質量為7.3*10^20kg,是月球的1/100。



想要推動如此巨大質量的一個棍子,所需的力無疑也是巨大無比的。就像我們要推動月球一樣,沒有一個巨大的推力,基本上不可能撼動該棍子。所以我們推棍子一端的時候,僅僅是把一端弄的少許變性而已。等這種形變傳遞到另外一段,不知道要猴年馬月了。


科學探秘頻道



首先我們得先知道這是什麼棍子,就算這是一個鐵棍,也會因為宇宙空間中的引力而彎曲。這根棍子長達一萬光年,一萬光年中可包含大約100億個恆星系,誰能保證這麼長的一根棍子不會被其他行星和其他天體撞擊呢?遇到一個黑洞或者大質量恆星,就足以把這根棍子截成好幾節了。



想法是很不錯的,但是考慮一下宇宙中的影響就不可行了,除非可以造出超級材料來,連黑洞都無法撕裂的材料,當然這種材料還得不能彎曲,必須一直是直的,還有就是這種材料的質量一定要輕,否則推不動。解決了以上的幾個超級難的問題之後,就可以實現用棍子超光速通信了。

在我們的宇宙中,目前發現的超光速只有兩種,一種是宇宙的超光速膨脹,就是說我們的宇宙現在正在以超越光速的速度膨脹。另一種則是量子糾纏,無論相距多遠的兩個相互糾纏的粒子,都可以完成實時通訊。

而光速不可超越是愛因斯坦從質能方程中得出來的,即一個有靜態質量的物體,只能無限接近於光速,而不能超越光速。因為一個物體的速度越快質量就會越大,所需要的加速度就越大,消耗的能量就會越多。由此得出有靜態質量的物質無法超越光速。


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時間史


超超超,超光速都是用嘴超的。一光年的棍子,推動其中一端,由於物質可壓縮,另一端根本就不會動,能量在傳遞的過程中就消散完了,哪裡來的超光速。

愛因斯坦相對論出現已經一個世紀了,在這100多年中,相對論解決了不少人類天文觀測中難以解釋的問題,相對論的正確性已經被確定,尤其是最近科學家們成功捕捉到引力波,也拍攝了黑洞照片,再次證實了愛因斯坦的偉大。相對論等現代科學理論中指明,有靜質量的物體是不可能超光速的,消耗的能量是人類無法承擔的。科學家們在觀測宇宙的時候也發現,確實沒有物質可以超光速(宇宙暴脹理論中的超光速問題忽略),只有一些中微子似乎能超光速,但是還需要持續驗證。

所以題主的問題從一開始就不符合現代人類的理論,也不符合實際觀測的結構。推動一光年棍子的一端,由於本身推的時候這一端的速度就很低,遠遠低於光速,即便這跟棍子是絕對的剛體,不能壓縮,也不會彎曲,那另一端也只能以推動的速度前進。而現實是不存在的絕對的剛體,推動這樣的棍子,它必然會彎曲,能量傳遞的過程中,由於壓縮等,棍子內部的物質會發生摩擦等能量轉移,推動的量還沒有到達另一頭的時候,就已經全部轉換為熱量等能量形式了,會消散在宇宙中。

這樣超光速的問題實在是太多了,如果可以實現,科學家早就想辦法造以跟很長的棍子,或者一個很大的輪子了,超光速不現實,在未來除非掌握蟲洞,才有可能使人類能跨越時空間超光速飛行。


來看世界呀


愛因斯坦也太“笨”了,如此簡單的“超光速”例子都想不到!你也太“聰明”了,如此簡單明瞭就推翻了相對論!

玩笑歸玩笑,但也能夠說明且不說一萬光年的棍子是否存在,即使真的存在,無論你如何推,都不可能達到甚至超過光速,不然相對論早就被推翻了!

之所以有些人總是用各種想象中的例子試圖完成超光速,但無一例外都是在不切實際的想象中,不由自主地陷入到牛頓的絕對時空觀中不能自拔,但他們不認為自己在用絕對時空觀在思考問題!

實際上,推動一根長度一萬光年的棍子,速度不僅遠遠達不到光速,甚至連音速都達不到,而且推動力在傳遞的過程中很快就分散然後消失了!

不然的話,我們中國人以跺腳,地球另一面的阿根廷人就會感覺到跺腳產生的震動,這也太瘋狂了!

力的作用有很多種,最常見的引力傳遞速度確實正好等於光速,但我們用手完成的推動力的傳播速度遠遠小於光速!

再說了,一萬光年的棍子也不可能存在,如此長的棍子早就坍縮為黑洞了!所以少一些不切實際的想象,多立足於現實!


宇宙探索


首先,沒有絕對剛性的物體。因此不管是什麼材料,當達到一定的尺度就會產生形變。別說一萬光年了,就是跨度幾百米的鐵橋,都會有變形。你拿根鐵棒,感覺強度很大,但是當鐵棒放大到一定長度,就會像麵條一樣軟。

其次,任何物質都是由粒子組成的,而粒子之間存在著大量的空間,因此,當有力傳遞時,這個空間在微觀上就會發生擠壓或震盪,發生微弱的彈性變形。當物體的尺寸被放大,那麼這個微觀上的變形就會成為宏觀可見的變化。而這個變化就是彈性變形。

假設有非常長的一根棍子,我們姑且不考慮是否推的動,就認為可以推動,但是這個力要傳遞到很遠的地方同樣是需要時間的,這個速度的理論上限還是光速,但事實上會比光速慢很多。

如果可以看到的話,就會發現從力的始發點,像波紋一樣向另一端傳遞過去,直到達到另外一端。這就是力的傳遞。

再舉個栗子,比如下面這張圖,可能都見過實物,大家感覺是瞬間另一端的小球就動了,事實上是因為這個距離太短了。就像我們彼此說話,是不是也是瞬間就聽到了呢?但是,如果兩個人的距離足夠遠,就會感到聲音的傳遞是需要時間的了。


寒蕭99


這個這問題,我曾經想過,請教物理老師也沒得到答案,只是說,你學多了就會知道。

後來我想明白了,我就用中學物理的觀點來解釋一下這個思想實驗,當然需要一點相對論知識。本題題目說的並不嚴謹,他說的棍子其實是指一種思想出來的理想剛體。既質量趨於0,硬度無窮大,絕不彎折,拒絕形變。

任何信息或能量的傳遞不可能超光速!力的傳遞也不能超光速。這是相對論的鐵律,我們必須尊重這個鐵律。否則所有爭論都變成了相對論是否正確?而沒有意義了。

那麼細心的讀者會發現一個矛盾,既無形變的剛體傳遞力的時間一定是零,與傳遞距離大小沒有關係,那麼必然力是直接傳遞到一萬光年外,而不需要時間。既出現了力的傳播速度可以無窮大的結論。這與相對論光速不可超越直接矛盾。到底怎麼回事?

那我們不妨假設相對論絕對正確,但是,力為什麼沒有直接傳播過去?只有一個解釋,那個所謂理想剛體出現了形變。這又於假設的無形變剛體相矛盾。對了,問題就出在無形變的假設上。

無形變剛體在理論上可以存在嗎?根據初中物理的牛頓第三定律,我們就可知作用力和反作用力方向相反且大小相等。那麼有人來推這個理想棍子,這個理想棍子反過來也會推人。這個反作用力的本質上從哪來的?不錯,就是物體形變!例如,桌子上放的茶缸對桌面產生一個壓力,桌面也會給茶缸一個支持力。而壓力和支持力本身都是來自形變的彈力。

不形變就沒有彈力!現在假設桌子就是無形變理想剛體。那麼問題就清晰了,茶缸對桌面的壓力還在,桌面因為無形變而沒有彈性支持力。二力不在平衡,茶缸會向下運動,這時桌面又是怎麼允許它向下運動的?荒謬的現象立刻就出現了。

所以,這個理想的無形變的剛體棍子在理論上就是不可能存在。既然存在形變,長距離的棍子也就變成彈簧,那麼力的傳播當然需要時間,速度不超過光速也就不難理解了。


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