如果一個物體無限往下掉,那麼它會超越光速嗎?

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在地球上有一個很常見現象,當一個物體從高空下墜的時候,它的下墜速度會越來越快。而造成這個現象的原因就是地球的重力加速度,通常來講,一個物體的下墜時間越長、高度越高,它的速度就越快。

根據這個現象,我們很容易就可以想到,如果一個物體無限地往下掉,它的速度肯定也會無限地增加,隨著速度的不斷增加,最終這個物體的速度就應該會超過光速。

這種可能性存在嗎?

考慮到地球的重力加速度約為10米/平方秒,這與光速相差太大,因此,筆者認為,我們不妨用中子星來討論這個問題,原因是中子星的重力非常的離譜。

相關資料顯示,一顆標準中子星的表面重力是地球的7000億倍,其表面重力加速度可達到(7 x 10^12)米/平方秒。

根據科學家的計算,一個距離中子星表面1米的、初速度為零的自由落體,在落地時的速度可達到每小時大約100萬公里!既然中子星的重力加速度如此驚人,那麼在距離中子星表面更遠的地方,掉向它的物體能超光速嗎?

先說答案,這個物體是不可能超過光速的,具體且看以下分析。

根據公式,重力加速度g = GM/r^2(在這裡G為引力常量,M為中子星的質量,r為物體距離中子星質心的距離),我們可以看到重力加速度的大小是與距離的平方成反比的。

自由落體與星球質心的距離越大,受到重力加速度就越小,在地球上,因為地球的半徑很大(約為6371公里)而重力相對較小,所以一般的高度都對重力加速度影響不大。

而中子星的結構卻非常緻密,其半徑通常都為十幾公里,因此在中子星上,自由落體的高度稍微增加一點,其受到的重力加速度就會大幅度地減少。

簡單地講,就是距離中子星一定的距離的自由落體,其受到的重力加速度,要比中子星表面的低很多。

我們也可以從逃逸速度的角度來分析這個問題,在不受外力的干擾下,當一個物體達到了一顆星球的逃逸速度時,它就可以逃逸到離這個星球無限遠的距離。

反過來講,如果一個物體由無限遠的距離,從靜止狀態向一顆星球做自由落體運動時,它能達到的最大速度也就是這顆星球的逃逸速度。

事實上,中子星表面的逃逸速度在理論上的最大值為15萬公里/秒(光速的一半),也就是說,不管你將物體放在離中子星表面多高的位置,當它從靜止狀態相對於中子星做自由落體運動時,它的速度都是不會超過15萬公里/秒的。

可以看到,這個原理適用於宇宙中所有的天體。現在就有了一個問題,宇宙中還有一種比中子星引力更大的天體,那就是黑洞。在黑洞的事件視界以內,其逃逸速度就達到了光速,這也就意味著在黑洞的內部,可能存在著超光速的現象。

但到目前為止,黑洞仍然是我們無法理解的天體,甚至很多科學家都認為我們已知的所有物理規律,在黑洞的內部都可能失效,因此我們這裡就不探討這個問題了。


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魅力科學君


一直往下掉?真的可以?

我覺得很多人都有這樣的錯覺,認為宇宙中所有的東西都會有向下掉的趨勢,如果沒啥東西攔著,就會一直掉。

但事實真的是這樣子的麼?其實這種想法有點井底之蛙,就好像看到自己的井口下雨了,然後就認為全世界都下雨了。

如果,我們跳出地球這個範圍,再來看這個問題,就會發現,地球上東西都往下掉的本質,其實是重力在作祟。所以,不存在所謂的“下”,只存在“力”作用的方向。

如果,我們朝前扔一個物體,那這個物體就會呈現拋物線的形狀。而整個過程,重力其實是在對物體做功的,我們假設物體質量是m,高度是h,重力常數是g,那重力做功就是mgh,簡單粗暴。

那麼問題來了,這物體可以一直往下掉麼?我們狠一點,理想狀態下,我們假設地球上有個井,直通地心,那這個時候我們把物體放到井口,然後鬆手,結果呢?重力做功其實就是mgR,這裡的R其實就是地球的半徑。你看這兩數不管咋樣,只要在地球上,數字就很小。

那你可能要說了,整個大的天體唄?但是無論宇宙中的天體有多大都是有限大,就算是黑洞,都會遇到一個問題,那就是這個引力做功是可以用數學表述出來的,而且一定是一個有限值

知道了這個,那就簡單了,如果能超光速,那我們只需要知道超過光速所需要的能量是多少就可以。那到底需要多少呢?我們可以從愛因斯坦的狹義相對論說起。

相對論

愛因斯坦在1905年的時候發表了4篇開創性的論文,其中在第三篇當中,他提出運動是可以改變時間和空間的,並且提出時間和空間應該被看成是一體兩面的,也就是時空。後來,沒過多久,他又補充發表了一篇,這篇當中提到的就是質量、能量與運動的關係。

我們後來把這部分叫做質能等價。兩篇論文合併起來稱為狹義相對論。

那其實能不能超光速其實就涉及到質能等價的相關理論,愛因斯坦通過洛倫茲變換推導運動物體的質量時,得到了下面的方程,

其中m0是靜止質量,m是運動時,物體的質量。通過方程,我們就會發現一個問題,如果速度越快,下面的式子的數值就會越小,整個右側的數值就會越大。(小學數學了,分母越小,數就會越大。)所以,質量也就越大。所以,我們就可以得出一個結論:

運動的物體,運動速度越快,質量就越大。

那質量越大意味著什麼呢?

意味著我們要給他加速的難度就越大,根據牛頓第二定律F=ma,當m越大時,要保證加速度,F就得越大。

但這時候問題就來了,如果速度快到非常接近光速時,下面的式子的數字就會變得非常非常大,以至於相當接近光速時,質量會達到接近無限大的狀態,那這時候,如果你還要給你物體繼續加速,意味著你需要的能量就是無限大的。

也就是說,當物體的速度越接近光速,加速就越費勁,如果你想要加速到光速,從理論上看,你所需要的能量就是無限大。而我們剛才上文也提到了,宇宙中的天體是有限大的,所以引力勢能也是有限大的。所以,根本不可能讓一個物體加速到光速的層面。

那什麼情況下可以達到光速呢?

其實根據這個理論,我們可以得出這麼一個結論,那就是如果物體的靜止質量m0=0,也就是沒有靜止質量,這個時候,它就可以達到光速。而光就不具有靜止質量的,所以它可以達到光速。

最後,我們來總結一下,其實不存在所謂的“下”,都是引力在作祟。而想把一個物體加速到光速需要無限大的能量,而在宇宙中不可能存在無限大的天體可以提供無限大的能量,因此不可能把物體加速到光速。而光之所以可以達到光速,實際上是因為光的靜止能量是0。


鍾銘聊科學


根據愛因斯坦的狹義相對論,物體只能無限接近光速,但無法超越或是等於光速。

物體速度越大 ,他的質量也會跟著變大, 接近光速的時候質量也會變得無窮大 ,讓它加速需要的力也會變得無窮大 ,在無限的距離上 ,最多引力不變 ,他的加速度會越來越小直到0, 永遠不可能加速到光速。

而且若真有物質能等於光速,就意味著這個物質就消失了,不能超越光速。


河北薛之謙


如果一個物體無限往下掉,那麼它會超越光速嗎?

在大家的認知中,一個物體在引力場中一直往下掉,它的速度似乎並沒有限制,只要這個距離足夠長而且中心質量體無限大,那麼終有一天這個下墜速度會超過光速?但事實上卻不會發生這樣的情況,我們從兩個角度來解釋這個有趣的問題,如果您信任愛因斯坦,那麼請看第一個解釋,如果你不信,那麼請看第二個解釋。

自由落體與能量守恆

牛頓力學中的自由落體加速度計算應該是比較熟悉的,畢竟中學裡就有,不妨來回憶下。

V=GT

V就是光速,G為重力加速度,選擇種花家最近的上海 g=9.794米/秒^2為參考

T=V/G=299792458/9.794=354.28天

如果按照經典力學的解釋,在這個恆定的引力場自由落體加速下,一年不到即可達到光速,當然從理論上來看,一年之後就該超過光速了。但事實上在這個情況是不存在的,因為牛頓經典力學它的應用範圍是低速運動,比如10%光速以內,它的誤差還是比較小的,一旦超過這個範疇,它的誤差會越來越大,比如質速就遵守如下曲線關係。

就像計算黑體輻射的公式一樣,維恩公式和瑞利-金斯公式都存在各自適合的範圍,因為黑體輻射大家都知道,也能計算,所以普朗克的黑體輻射公式很容易就獲得了信任,但質速關係很難理解,因為我們還達不到這樣的速度,但其實在近地軌道的衛星就必須考慮它所帶來的鐘慢效應(和質速增加比例是一致的)。那麼如何才是考慮整段速度的計算方式呢?放心,愛老頭已經給我們準備好了。

綜合一下,公式就是:E=mc^2/√(1-v^2/c^2) -mc^2

上述公式中m為物體的靜止質量,在相對論質增效應下,這個速度會越來越慢,最終趨向於0,所以這個E的能量增加是有限的,最終的速度也無法超過光速。

黑洞的吸積盤

除了黑洞外,在宇宙中找不出任何一個與文中假設條件相似的去處,因為它的逃逸速度超過光速,連光都無法逃脫,那麼物質在下落過程中會超過光速嗎?其實在這個話題中有一個非常令人迷惑的陷阱,因為很多朋友認為:

在越過了視界之後物體存在超光速下墜現象

其實種花家要給出的答案是,越過了世界之後物體的速度可能比物質在吸積盤中的速度還要慢,為什麼呢?且聽種花家做個簡單分析,如果您覺得不合理,不妨留言或者私信討論。

1、為什麼物質不會直直下墜?

我們觀測到的現象是黑洞或者中子星甚至白矮星與恆星誕生,都伴隨著一個吸積盤,這是因為物質在引力場中下墜的過程並不是理想的狀態,而是會受到多方影響,因此它下墜的理想直線將會成為一條螺旋曲線,因為存在了切線方向的加速分量,環繞著下墜成了必然選擇。

2、越過了視界之後會超過光速嗎?

這是很多科普作者誤解的地方,儘管黑洞視界內我們不可能瞭解,但可以根據現有的物理規律去推測黑洞視界內的情況。

根據引力場中的時間交換比來推算,在越過黑洞視界時,它的時間將是停滯的,越過視界之後呢?它會倒流嗎?很明顯不能,會加速嗎?沒有理由!最大的可能是它仍然是停滯的,那麼過了視界之後無論它將以多快的速度下墜,對於無限長的時間來說,它的速度也許比你的步行還要慢,如果以觀測者的時空來分析這個下墜,它永遠都掉不到“黑洞的中心”!

很有意思的一個討論話題,居然牽扯車黑洞視界內的世界,其實《三體》中掩體世界裡就有一個捕獲的黑洞,有一個人掉下去了,他最後的身影留在視界上,在掩體世界的時空觀來看,他永遠都會停留在這個生死之間的階段,剛開始的時候不明白,但後來瞭解了黑洞的德行之後也就明白這個道理。這就是廣義相對論的時空觀,在宇宙的不同條件的區域,時間的流逝是不一樣的。


星辰大海路上的種花家


首先宇宙中沒有上下這樣的方向。所以不存在往下掉的問題。

其次,在宇宙中如果沒有其他引力干擾的話,這個物體會有一個恆定的速度,繼續前進,永不停機。

然後我們來假設從地球地表到大氣層的高度為無限。看看這個時候會發生什麼。我們乘坐航空器到達這個無限的高度的頂端向下方投擲一個物體,然後通過設置在期間的數個測速儀來讀取數據。

經過物品的一段時間的掉落之後。我們可以測速儀上看到,該物品你的速度達到一個值之後就會不變了。

這是怎麼回事呢?

原來地球除了引力之外,空氣還對該物品存在著摩擦力和上浮的力量。任何物體在空氣中是有浮力的,只不過這個浮力太過微弱我們感覺不到罷了。但是在下跌的過程當中,浮力和摩擦力會合在一起共同抵抗引力,以至於到最後下降的速度不會再繼續增加。這個物品將會以這個速度保持很長時間,直接降落到地面。

所以即便空間無限,想達到光速也是不可能的。


只想說說心裡話


原創思想,如果一個物體無限往下掉,那麼它會超越光速嗎?可以,但這一物體就不是被我們認為的那種可視性的物體或客觀性存在的物體了,而是瞬間性的會遷越性的那種物體了。因為這種物體是可以無中生有的,是沒有初始性的時間性的了,因為是超越了光速了,那就是無視著時間性無視著空間性的存在了,那這樣的物體就只能說是奇點的了,因為奇點就是無中生有而來的,而無中生有就是沒有時間性的沒有空間性的,而就可以作出無限性的這個概念出來了,否則任何的物質性或是物體性都是有著時間性空間性限制的,是不存在著無限性的了,而就不存在著有物體可以無限下落的了,這就同樣不存在著超越光速的物體了。但不知是不是這樣的認為,而下面就交給磚家們繼續的討論吧!


踏浪而來37326050


地球人只有地球知識,因為被地球鎖住了你的思維和認識。思維能夠衝岀大氣層的人很少,少之又少。

所以要學習,學習學習再學習!

宇宙中任何一個物體它的運動都必須在另一個物體的作用下進行。比如講,蘋果為什麼會從樹上掉下來呢?許多人想這是天經地義的事,你提岀這事不是廢話嗎?

所以許多的事物人們巳經習慣了,而從來就不會去問一個為什麼?

這個問題在歐洲就有人思索過,它為什麼的原理,從而認知了萬有引力這個宇宙真理。

從此人類發現了地球的引力。

許多的事物存在於宇宙中,地球中,這些知識的真理埋藏在人類的感官之外,但是億萬萬年來一直左右著世界上的萬事萬物。

聰明的人,喜歡探索者,他們用思想把這些真理挖掘岀去,用宇宙理論書寫在白紙上,解釋給不明白的人聽,使他們開悟。

這就是萬有引力無處不在,它們左右著宇宙,左右著宇宙的一切。一個物體被另一個物體吸引,就會產生方向性的運動,強引力者會吸引弱引力著朝著它的方向運動。

如果太空沒有強引力者,就不會產生方向性運動,也就不會往下掉。

而會產生它們自已因素導致的運動。

重力和加速度問題?

有人說,一個物體往下掉,會不會超過原有的速度,而岀現加速度,越來越快。

我們理解為什麼會岀現加速度?

我們有力學來解釋,還不根本,我們還是用為什麼來解釋吧?

一個物體最強的引力在這個物體的中心,也就是說,另一個物體被吸引離中心越近,引力越大,它被吸引的力越大,速度越快。

離這個物體越遠,磁力線越弱,速度越慢。

原來岀現加速度是與吸引物體的距離有關係。

人類在認識事物上,越來越多,越來越系統。知識的書籍在不斷的加厚,我們翻開它閱讀吧!


雲天廣闊


很多人喜歡跟光較勁,很多問題也加上了“理論”二字,但是,就算理論上也是太天真了。

我就用一句話終結這種問題吧,光是具有波粒二象性的物質,普通人解釋不清光是什麼,但可以肯定的是,光是超體,你說的物體,只是物體。怎麼比?還用往下討論麼?

就好比人能跟神對比嗎?人要吃喝拉撒,就相當於物體會有摩擦力,重力,推力,溫度,密度各種制約,而神什麼制約也沒有,為什麼總要對比呢?

有個問題是一個管子三十萬公里長,敲它一端,敲了一釐米,另一段就立即移動了一釐米,達到了光速,是嗎?

敲一端,這不就是地震波嗎?地震波速度能到三十萬公里??

題主這個問題,物體接近光速的時候,質量會無限大,會壓塌自身成為渣渣,其他有什麼現象也無需瞭解,總之不會是讓你平平安安接近光速的,你不可能再假設說相對論是錯的吧?


microkof


溫馨提示:鼻子裡不可插蔥!



誠心誠意7234


贊成,自然界有光速,是因為光速是真對真空狀態下低能態光子或稱之為真空“物質”在一定溫度條件下的光量子速度,自然界既然有光速存在,在真空條件下,物體就有希望達到光速,引力加速度是9.8米/秒,在沒有阻力情況下,以這個速度不間斷加速,應該有達到光速的時候。但是,這個命題只是個假說,自然界應該沒有這種客觀條件,黑洞引力距大,但它周圍不是直線加速,而是旋轉空間的,其加速度遠遠達不到,除此以外,訖今好像沒有什麼力可以做到永遠加速,除非誰異想天開的創造出什麼力,放在要加速物體前方一定距離。依此假設推斷,結合最近一些物理學提問,可能誰有了飛船自我超常規加速希望,至少是理論上有點眉目。

當然,9.8米/秒僅僅是地球引力條件下的加速度,人為創造更大加速度也不是沒有可能。


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