03.06 假如有个密封管子有一光年长,里面都是水,没有空气,从一头挤压,另一头会瞬间得到压?

小沈还是大沈


在爱因斯坦的相对论里,不允许物质的速度超过真空中的光速,不允许信息的传递速度超过光速。

很多人会设计出这样的实验:晃动一根一光年长的棍子,棍子另一端的移动速度会不会超光速?拉动或推动一根一光年长的棍子,棍子的另一端会不会马上跟着动?

这些问题会让一些人困惑,相对论是不是就此被推翻了?当然不会!100多年来相对论经历了各种检验,随手沾来的问题不会把相对论推翻。

拉动或者晃动棍子的这一端,另一端跟着同时动,这样的棍子是由刚体材料制作的。刚体是理想化的模型,并不会真正的存在。现实中拉动或晃动棍子的这一端,棍子的另一端需要经历一段时间才能开始跟着动,只是这个时间非常短,日常生活中一般不会察觉到。

棍子是由原子分子组成的,原子分子之间存在着空隙。推动棍子时,棍子这一端的原子分子就会相互挤压使得原子间距离发生变化,从微观上看这部分区域的原子分子间距还会复原,在复原的过程中就会推动前方的原子分子。如果不发生能量衰减,能量就会一直向前传递,传递到棍子的另一端后,棍子的另一端就会相应的表现出移动或者转动。

原子分子的振动对应的是机械波,从刚才的分析中可以看得出,棍子这一端发出的移动或者转动信号就是通过机械波向前传递的。机械波在介质中是以一定的速度向前传递的,在空气中的传播速度大约是340米每秒,在常见的介质中的传递速度一般在几百米每秒至几千米每秒之间。

如果真的打造出一根一光年长的棍子,拉动棍子的这一端,信号只能是以音速在棍子中传递,并且传不了多远的距离能量就会衰减掉。换成装满水的管道,也是一样的结果。相对论这个伟大的理论不是一根棍子一根管道就能否定的。


刁博


题目虽有点夸张,但有建设性意义,可以质疑爱氏相对论。1光年=9.44e12千米,做9.44万亿公里长的水管是不可能的。

不妨改成“1千米”,同样可说明——液体压强的传播机制——与爱氏相对论无关。

感性是不可靠的。需补充几个数据,做详细的物理估算,才能真的说明问题。

需要的几个参数

材料有关参数的预设

①液压钢管长:L=1000米,

②管孔截面积:A=1平方厘米=1e-4㎡。

③钢管呈刚性,不消耗液体能量。

④大气压强:p₁≈10万帕斯卡=1e5N/m²。

⑤外加压强:p₂=10atm=1e6N/m²。

未加压前的水分子参数:

⑥外层电子绕核速度:v₁≈α²c=1.6e4米/秒。

⑦水分子空隙的光子频率,估计低于一般红外线频率:f₀≈1e9[Hz],波长λ₀=c/f₀=0.3[m]。

⑧水分子质量:m₂=18×1.66e-27≈3e-26[kg],用于计算水分子的震荡动能。

⑨水体温度:T=293.15[K],水分子震荡速度:v₂₁²=3kT/m₂,v₂₁=√40.45e4=630[m/s]

外加压强在水体中的传播机制

思考以下分析:

根据帕斯卡定律,液体所受的压强是各向传播并且大小相等的。就本题而言,传播给水分子表面各点位承受的压强处处相等。

根据动量守恒定律,水分子外层电子的反弹压强与外加压强大小相等,方向相反。

显然,水分子传播外加压强,是按多米诺骨牌效应模式,呈接力赛方式,依次推压的。

现在的问题是:

各个水分子的外层电子之间不可能裸接触,而是有一定空隙。 电子之间有强大的排斥力。

这个空隙是真空的,笔者认为,祂就是真空场介质,也就是麦克斯韦认定的真空以太。

那么:上一个水分子的压强/压力/动量/能量,是如何传递给下一个水分子的?

总不能一下子跳到下一个水分子吧?换句话说,不存在超距作用、隔空打牛的传播模式。

进一步的追究

爱氏相对论认为,不存在以太,真空是虚无,电磁波传播无需介质,靠时空曲率传播。

按此理论,机械的力/能/波,就只能是实体粒子之间的超距传播,这显然是荒谬的。

分析传播机制

显然,外加压强必然以真空场为载体,在水分子之间传播。 压强传播就是力或能的传播。

机械的力/能/波的传播,是外层电子被加速传播与真空场介质被激发传播的交替推压。

绝大多数科学家早就承认:真空场不是虚无,而是一种介质,可传播力/场/能/位移电流。

为了便于定量操作,本质上,光子就是真空场的一个量子化单元,即空间的基本单元。

而且,不要骑马找马,光量子正是暗物质与暗能量共有的虚粒子(virtual particle)。

尤其,必须强调的是:光量子不是被波源发射出来,而是真空固有的传播子(propagator)。

能量转换与相关计算

1. 能量转换的进程

外加动能(Ek)→激发光量子(γ)→激发外层电子(m₁)→激发光量子(γ)→激发外层电子(m₁)→激发水分子(m₂)...→转换动能(Ek'),简单写成:

Ek→△Eγ→△Em₁→△Em₂→△Eγ→△Em₁→△Em₂...→Ek'。

2. 具体的解析方程:

外加压强的相应动能:Ek=W=p₂Ad...(1),首先激发附近所有光量子而升频,获得辐射能增量,即:△Eγ=Σh△f...(2)。

式(1)中的d,是水分子自身与水分子之间空隙的可压缩尺度,简称“压缩距”,可做估计。

其次,所有外层电子被激发加速震荡,获得动能增量,即:△Em₁=Σ△½m₁v₁²...(3)。m是电子质量,v是电子绕核震荡速度。

然后,该外层电子,作为物质波或移动波源,再次激发光量子获得辐射能增量,即:△Eγ=Σ△½mv²=Σh△f...(4)。

外层电子的动能增量,转为水分子动能增量,忽略原子核动能增量。有:△Em₁=△Em₂,即:Σ△½m₁v₁²=Σ△½m₂v₂²。

如果不考虑加压的热应力等能量损耗,公式(1)=公式(4):pA=Σ△½m₁v₁²=Σh△f...(5)。

3. 重要的相关计算

计算1:水分子空隙的压缩距

明确一点,液体是可以压缩的,不过,如果不是超大压强,压缩距是很小的。

水分子的压缩距,主要是分子间的空隙距离,可以通过实验测算出来,本文只做基本估计。

水分子半径约氢原子的3倍:R=3×5.3e-11=1.59e-10[m]。

1个水分子体积:V₁=(4/3)πR³=1.684e-29 [m³]。

1毫升水分子的体积:V₂=1e-6[m³],1毫升水质量:M=1e-3[kg],

1个水分子核子质量:m₂=18×1.66e-27=3e-26[kg]。

1毫升水分子个数:n=M/m₂=(1e-3)÷(3e-26)=3.333e22个。

1毫升所有水分子实心体积:V₃=n·V₁=3.333e22×1.684e-29=0.561e-6[m³]。

1毫升所有水分子空隙体积:V₄=V₂-V₃=(1e-6)-(0.561e-6)=0.44e-6[m³]。

可见:水分子空隙在水分子平均总体积的占比为44%。这部分空间充满高能的光量子介质。

估计频率f=1e9[Hz],波长λ=0.3[m]。不过,与原子内空间一样,其被压缩可能不易检测。

在题设的10个大气压下,它也不可能一点也不被压缩。假设可压缩10%,可求压缩距d。

10atm下水分子压缩距d=(0.44÷0.55×0.1)R =0.08×1.59e-10=1.27e-10[m]。

计算2:水分子接受的体积功

1立方厘米水接受体积功:W=p₂A·d ...(6)。总的压缩距:d≈0.08[mm]=8e-5[m]。则有:

1毫升水接受到的体积功:W=(1e6)×(1e-4)×(8e-5)=8e-3[J]。

1个水分子接受的体积功:W₂=W/n=(8e-3)÷(3.333e22)=2.4e-25[J]。

这个体积功转化为水分子的动能增量,有:

W₂=△Em₂=△½m₂v₂²=½m₂(v₂₂²-v₂₁²),其中:v₂₁²=630²=4e5,由此可求v₂₂。

v₂₂=√(2W₂/m₂+v₂₁²)=√(4.8e-25)/(3e-26)+4e5)=√(16+404500)=636[m/s]。

外加10个大气压,水分子速度仅增加了1%,说明水分子之间的强大斥力与不可压缩性。

计算3:水分子激发的电磁波频率

水分子动能增量,可以激发空隙中光量子,频率增量,有:W₂=h△f,△f=W₂/h,△f=(2.4e-25)÷(6.63e-34)=0.36e9[Hz],

f₂=f₁+△f=1e9+0.36e9=1.36e9[Hz],频率增量为36%,远大于水分子的速度增长率。

可见,水分子空隙的光量子,对外加压强是相当敏感的,这也佐证卡西米尔效应。

而且,36%的电磁波频率的变化,应该可测量出来。可惜,笔者这里没有实验条件。

计算4. 求1千米与1光年的压强传播时间

前述已求出水分子震荡速度:v₂₂=636米/秒。这个速度也是活塞压强或压力的传播速度,

1千米的传播时间:L/v₂₂=1000÷636=1.57秒。这个时长,是可用秒表测出来。

1光年的传播时间:9.44e15÷636=1.42e13秒=4.5e5[a],即45万年。

小结

作为介质的液态水,传播机械波的速度是1450米/秒,传播压强或压力的速度是636米/秒。说明:机械力的传播甚至低于声速。

固·液·气·等离子体的粒子运动,既有大粒子传播机械能,也有光量子传播辐射能,二者之间是一种交替互动模式。说明:真空不空。

好了,本答stop here。请关注物理新视野,共同切磋物理逻辑与中英双语的疑难问题。


物理新视野


直接上答案:不会,力的传递也是需要时间的,超距作用不存在。

这个问题的本质还是超光速,与之类似的问题还有很多,换汤不换药。一个一光年长的棍子,晃动一头,另一头会马上跟着动吗?不会,因为刚体不存在,物体的运动不能超光速。

好了,回到这个问题本身。看来题主对气体和液体的性质还是比较分得清的,如果是空气肯定是不行的,换成水呢?

有些人可能听说过水压机,就认为水是不可压缩的。事实并非如此,水也是可以压缩的。仔细分析一下就知道了,水是由水分子构成的,水分子之间存在间隙。


从一端施加压力,这些能量以压力场的形式在密封的管子中传向另一端,并且在传播过程中会逐渐衰减。在传播的过程中,一部分机械能转化为水的内能,压力会逐渐被水耗散掉。

力在传递的过程中也是需要时间的。力在物体中的传递,本质上还是物体内部粒子的运动变化,在这个问题中就是水分子的运动变化。物质运动变化的速度都不能超过光速,因此压力的传递也不能超过光速。实际上压力在水中的传递速度很慢。

由此可见,当我们从一端施加压力时,压力至少需要一年多的时间才能传递过去。如果施加的压力太小,另一端根本就没有反应,在传递的过程中压力就已经完全没了。

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科学探索菌


如果不去纠结“如何造出一光年的管子”这一点,那么这道题的答案很简单:一头受挤压,另一头需要在一段时间后才会压力出现,而这个时间就是:水中的音速传播一光年距离的时间(水中的音速见下图),大约需要21万年。

说是音速,其实就是机械波在流体中的波速,这个速度取决于流体的体积模量和流体的密度。

小编在悟空上已经回答过好几个类似的问题,今天这道题是问的水,之前几道题问的都是固体(比如钢管),还记得一道经典的问题:

如果有一根一光年长的铁棍,我在一端推一下,另一端是否立马就能感应到,这样一来是不是能超光速了?

超光速是不可能的,力在铁棍中的传播速度也是音速,大约在每秒五公里左右,因此一光年也需要传播很久很久的时间。本质上就是求机械波在固体中的波速,与固体的弹性模量和密度有关。

最后再说一句:按照相对论,能量和信息的传递速度都不得超过光速。

期待您的点评和关注哦!


赛先生科普


不会,通常得到的压强,作用距离很短,所以让人产生了压力错觉。

列如,超星星爆炸,所产生的爆闪,会因距离的远近,而有观察上的时间差。

压强其实就是受约束的物体之间,分子或原子被施压相互靠近,但施加的力又不足以引起分子或原子性质改变。分子与原子受到相同电荷排斥作用力,而产生的反作用力。

压强越大,反作用力也越大。

恒星就是这样的一个矛盾体,巨大的质量,产生了巨大的引力,巨大的引力,又产生了巨大的压力,巨大的压力又使原子核之间的空间挤压的很近,又产生了巨大的反作用力。

撑不住了,嘣的一下就炸了。

一光年的距离长度,一端产生的水压力波,其反作用力远小于光速,到达另一端,将会是一个很漫长的过程。

用光替换掉水,一光年两端之间,没任何干扰光传播的因素存在,一端光源发光,另一端需要地球计时周期一年后才可以看到。

假设水分子相互靠近后,产生的反作用力都向另一端均匀传播,计算下传导时间,再除以一光年的距离,可想而知,那会要等多长时间,另一端才能收到压力数值。也许一百年,也许一千年。呵呵。

水分子之间有着相当大的空间,要让这个空间形成有效均匀的传导空间,需要注入大量的水,同时还有施加巨大的压力。

水分子又有足够大的质量,压力,重力,反作用力,分子结构稳定性。天知道到时候,还能不能达成实验所需要的稳定,可靠,有效,长期的密闭空间。

半路上这些家伙们,会手拉手,拉班结伙整出啥子状况来。呵呵。


虎王73699653


提出任何实验方法,首先需要解决可行性。什么是可行性?他必须包含理论上的可行和现实上的可行性。水虽然不可压缩,但是给水施加压力的直接结果是在水里造就了一个机械波。机械波的传递不仅需要时间,而且也会衰减。由此可见,设想这个机械波可以没有时间间隔瞬间传递到另一端根本就不能成立。更重要的是,这样的设想也不具有现实性:因为人类根本没有能力造出这根棍子。你能设计出克服工程难题的制造工艺吗?这个工程难题就是引力及其引力坍缩。这个自然技术壁垒会阻止任何类似尝试。理论上不能成立,现实上没有可能性。提出这个设想的人只能继续服从爱因斯坦的理论!


无船也渡河


实际上,水也是可压缩的物体。这个问题的本质就在于物体是否是刚体,如果是绝对刚体那么另一头是瞬间得到压力,如果不是刚体,那么力的传递需要时间。下面我们简单分析一下。

1、刚体

学过理论力学的同学们肯定知道刚体是什么,理论力学的研究对象就是刚体。简单来说,刚体就是不会发生任何变形的物体。不管外力多大,刚体就是刚体,受力前后不会有任何的变形。正是因为这个性质,力在刚体中传播是不需要时间的。在一头作用力,另一头瞬间响应。


那么这种瞬间传递,是否突破了光速?可以这么说,如果刚体真的存在,那么光速是被突破了。不过问题是,现实世界刚体并不存在。


既然刚体不存在,那么我们分析刚体还有什么意义呢?在力学上,刚体与否是相对的。当豆腐与石头相撞,当汽车与行人相撞,如果我们只需要考虑豆腐和行人,那么就可以把石头和汽车当成是刚体。这么做的原因就在于刚体计算量小,可以大大简化模型,以最快速度得到问题的解。这种简化在接触问题中常常使用。如下图,小球撞击圆板,小球就设置为刚体,查看圆板的撞击过程。

2、变形体

正如上所述,绝对刚体并不存在,这个世界上所有物体都是变形体。即所有物体都会发生或大或小的变形。有的物体比较“硬”,就是比较刚,其弹性模量较大,不容易发生变形,如石头。有的物体比较“软”,弹性模量小,非常容易发生变形,如豆腐。


变形体指的是物体在力的作用下,物体上某两点的相对位置会发生变化,即形状发生了改变。不同的物体,改变的大小也会不一样,这里就用弹性模量来衡量。弹性模量大则刚度大,不易变形。下图为仿真大神(Usim)利用Abaqus模拟夹子的受力。这里面,这个夹子就是变形体。

3、水的变形

说了这么多,可能有的同学要说了,题目中说的是水,是液体。而刚体、变形体指的是固体。气体的压缩大家非常容易理解,固体的压缩,前面刚刚已经介绍过了。那么,液体的水也是可以压缩的。水的压缩系数一般取值0.0485,跟温度和压强有关。其定义为:单位压力变化时引起的液体单位体积的变化量。

我们在进行液压设计计算的时候,如果精度要求不高,通常是把液体作为不可压缩计算的。实际上,很多的流体分析软件,也都是基于不可压缩流计算分析的,如上图。这其实也是模型的简化,不然分析起来花费时间太长。更何况,大多数液体的压缩系数都非常小。


受压的液体,假设忽略流动性,那么在力学行为上与变形固体并没有太大区别。我曾算过一个算例,球形液体压缩,按照固体计算,得到的体积变化跟压缩率计算的结果非常接近。所以,对于本题的受压的水,看成是变形固体也是可以的。

4、力的传播速度

我们知道,力在刚体中是瞬间传播的,原因就在一刚体是一个整体,不可压缩不变形。但是对于变形体,由于变形的存在,力通过这种变形压缩的形式往外传递,如下图。力以波的形式,在物体中传递,所以我们也叫它应力波。

应力波的波速显然与弹性模量有关,弹性模量越大,波速越快。此外,波速还与物体密度有关,密度越小,波速越快。波速公式如下:

水的密度1000kg/m3,体积模量2.18×10^9Pa。估算出弹性模量约2.62GPa,因此应力波在水中的波速约为1618.6m/s。这个是估算值,认为水是固体,取泊松比0.3。按照这个速度,应力传到另一侧大概需要1.85e5年。

5、总结

由于水不是不可压缩流体,所以应力波在水中的传输速度大约是1618.6m/s,一光年长的水柱,需要传递1.85e5年那么久。


力学Nerd王小胖


莫要用我们现实生活中的直觉套用爱因斯坦的“光速限制”,因为我们现实生活中感受到的速度相对光速实在太低了,而且我们也很难直接观察体验到很长距离的速度传播情况。生活中我们基本上能看到的顶多是几米长的水管传播水流的情况,这种情况我们常常会感觉到水流的传播是瞬间完成的。

但其实这是错觉,只不过由于距离太短,传播需要的时间就很短,我们很难感受到时间的延迟,会有种瞬间传播的错觉。

事实上问题本身与爱因斯坦的光速限制没有任何关系,其实就是液体压强的传播机制,或者机械波的传播机制,说白了就是声音的传播速度,声音在空气中的传播速度为340米每秒,在固体中传播速度也不会超过1万米每秒,在水中的传播速度也只有1500米每秒左右。不但不会超过光速,甚至与光速没有任何关系。

压力在水中的传播就是水分子原子传播压力的过程,压力传给水分子原子,会造成原子之间的距离发生变化(当然变化非常小),变化之后还会复原,而复原的过程就会把压力传递给相邻的原子,具体效果就是下面的示意图:

有很多类似的问题,比如说一光年长的棍子,推动一端,另一端是否能马上感应到?当然也不能,这种情况就不能用我们现实生活中的感知去理解,毕竟现实生活中我们见到的棍子最多也就十几米长,推动一端另一端就是瞬间感应到,时间时间太短了。

所以,不要试图用这样的假设去推翻相对论中的“光速限制”,如果真的如此简单,也轮不到100多年后的我们来推翻了。另外,相对论的基础其实就是两个假设,其中最关键的一个假设就是“光速不变原理”,相对论无所谓对错,因为“光速不变原理”本来就是一个假设。如果你真相推翻相对论其实很简单,甚至不用做任何实验任何工作,只需要“不承认光速不变原理”就行了,你完全由理由不承认,因为这个原理本来了就是一个假设!


宇宙探索


不论什么管子,在力的作用下,都会变形,水也会压缩,这样压一边,瞬间压力传不了多远


它山之石159


你是想知道力的传递时间吗?我在想,那么长的管子,力小了传递不过去,力大了可能会把管子挤爆了。


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