一個很大的齒輪轉動了起來,它的邊緣會超過光速嗎?

2020-12-04 刁博

愛因斯坦給出的相對論是現代物理學的兩大支柱之一,相對論給人類展現出一片新奇的世界:運動的鐘變慢;運動的尺縮短;光速不變原理;光速不可超越……相對論給出的時空觀超越了日常經驗總結,這讓很多人覺得不可思議。

有一些人試圖從經典的角度入手找出相對論的破綻,比如超光速。很多人設想過這樣一種場景:一個很大的齒輪轉動起來,逐漸提高轉速,邊緣上的點會不會超過光速?

如果從經典力學的角度看,齒輪邊緣上的點肯定能夠超過光速。可正是相對論界定了經典力學的適用範圍,當物體的運動速度接近光速的情況下,經典力學對運動的描述會出現很大的偏差,此時經典力學就要讓位給相對論。

在相對論中,物體的質量與速度之間存在著緊密的關係,質量會隨速度的增大而增大。當物體的速度趨近於光速時,物體的質量會趨於無窮大。

轉動一個齒輪,齒輪邊緣上的點的線速度會隨齒輪轉速的增大而增大。假設邊緣上點的線速度能夠趨於光速,那麼齒輪的質量會趨於無窮大。轉動一個這樣大質量的齒輪,會需要無窮大的能量。故根本不會讓齒輪邊緣上的速度超過光速。

更何況,齒輪的轉速越大所需的向心力就越大。轉速增大到一定程度後,分子間的相互作用力就不足以提供轉動所需的向心力,齒輪就會瓦解。齒輪瓦解時的線速度還遠達不到需要考慮相對論效應的程度。從經典的角度也能否定有這樣的齒輪存在。

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