如果時鐘的秒針特別長,只要轉1秒,末端是不是超光速了?

2020-12-04 李論科學

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

一般這種想要超光速,揭愛因斯坦棺材板的問題,最後的結果都是失望而歸。當然這個特長秒針也一樣。

生活中我們看到時鐘的秒針一秒一秒的轉動,沒有發現這個末端和原點處有任何的延遲現象,我們認為這兩個點是同步的。

小時候你爹拿木棍抽你屁股的時候,你看到你爹舉手的那一刻,瞬間屁股就能感受到火辣辣的陣痛,這說明你爹掄木棍的時候,木棍末端貌似也沒有延遲。

通過生活中仔細的觀察和自己的親身體會,在夾雜一些學來的線速度、角速度和半徑之間的關係,我們就能很容易的得出,只要半徑足夠長,就算是轉動很小的角度,末端就會超光速。

理論上確實是這樣,因為線速度等於角速度乘以半徑,但是這樣的事情在現實宇宙中是不會發生的。它只能存在於我們的思想實驗中。

因為在現實世界中,沒有絕對的剛體,也就是沒有完全不會變形的材料。

我們之所以看不到秒針和你爹手裡的木棍變形,出現延遲,是因為相對於它們的材質硬度來說,它們實在是太短了,我們的感官也無法分辨出它們在受力的時候出現變形,所以可以忽略不計。

我們知道現實世界中的任何材料,都有由原子組成的,在受到力以後會發生彈性變形,並且以變形的方式向外傳遞力。

以秒針來說,它是由原子堆積起來的長條物體,當中心部分的受力發生旋轉的時候,中心部分的原子會首先感受到這個力,並發生變形,然後將這種(變形)力迅速的傳遞到末端。

最關鍵的問題是這個力的傳遞速度有多快?其實這個力的傳遞速度相當於聲音在這個材質中的傳播速度,沒錯,就是這個材質中的聲速。

因此,就算我們有特別長的秒針,當中心點(不考慮能量的問題)開始旋轉的時候,這個力會以聲速向外傳播,相比於光速來說這個速度簡直不值一提。

最後的結果就是,特長的秒針被一點一點的帶動,最後形成了一個螺旋線。並且整個秒針會向回收縮,並不會超光速。

為什麼這種變形(力)會以聲音的速度傳播呢?假如我們用手指推動一個長杆,首先推動的是起點的這一排原子,這排原子在受到電磁力以後,就會發生向前的位移,去擠佔下一排原子的空間,這個時候材料就發生變形。

雖然第一排原子和第二排原子之間是電磁力(光速)在作用,但是第二排原子在發生位移的時候並不是以光速前進,而是以機械波(縱波)的形式向前移動。這個移動的速度就是聲速。

這裡再舉個例子,假如你在排隊買奶茶,站在最後的你有些不耐煩了,就使勁推了一下前面的人,雖然這個作用力也是電磁力在發揮作用,但是前面的人並不會被你以光速推出去。

而是會以很低的速度向前位移,並且會撞到下一個人……直到第一排人。這就類似於你推第一排的原子一樣。

聲音其實就是物質發生震動產生的,並且以縱波的形式(變形)在材料中傳遞,這其實跟你推物體、或者是敲擊物體是一樣。所以它們的傳遞速度是一樣。

這樣也就解決了另外一個問題,也是我們常問的一個問題。拿一根長杆,架在地球和月球之間,如果我們在地球上推動一些長杆,那麼在月球上是不是就能立刻感覺到。

同樣的道理,並不會。如果這個杆是由鋁做成的,那麼這個力的傳遞速度只有5000m/s,遠遠低於光速。

有些同學就要問了,如果是剛體呢?它其實也不會超光速,最多為光速,因為就算原子不發生位移,材料不變性,原子之間傳遞力也是以光速在進行,而不會發生超光速現象。

不過,需要知道的是,剛體只是我們在處理物理問題的時候,為了避免不必要的麻煩,或者是有利於計算而提出的一種假設。

在現實中沒有實際意義。畢竟我們的腦子可以假設任何東西,並不會對物理世界產生任何影響。我還可以想像lisa是我女朋友,不過產生不了實際的作用……

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