爱因斯坦提出的相对论被称为现代物理学的两大基石之一|一根1光年长的棍子,真的可以实现超光速吗?

爱因斯坦提出的相对论被称为现代物理学的两大基石之一 , 其在科学界的认同度可想而知 , 然而在相对论的体系里 , 却有一个令人难以接受的理论 , 那就是宇宙中任何具有静止质量的物体的运动速度都不能超光速 , 除此之外 , 任何能量和信息的传递速度也不能超光速 。
爱因斯坦提出的相对论被称为现代物理学的两大基石之一|一根1光年长的棍子,真的可以实现超光速吗?
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既然令人难以接受 , 那么就有人提出质疑 , 例如对于“具有静止质量的物体的运动速度不能超光速” , 就有人认为 , 假如有一艘宇宙飞船携带了充足的燃料 , 能够不断地给自己提供加速度 , 那么经历足够长时间的加速之后 , 这艘宇宙飞船就可以超光速了 。
在经典物理学中 , 这种假设应该是成立的 , 那相对论是如何对此进行解释的呢?
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上图为相对论动能公式 , 其中m0和v分别代表物体的静止质量和速度 , c为光速 , 从中我们可以看到 , 当一个物体的速度在无限接近光速时 , 其自身的动能也会无限增加 。 这就意味着 , 要将一个具有静止质量的物体加速到光速 , 就需要无穷大的能量 , 这显然是不可能的 。
好吧 , 既然此路不通 , 那不妨再来看看“能量和信息的传递速度不能超光速” , 对此 , 有人提出了这样一种思想实验 , 假如有一根1光年长的棍子 , 我在这头推一下 , 另一头会超光速吗?
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不得不说 , 这的确是一个很有想象力的思想实验 , 因为在日常生活中 , 我们在棍子的这头推一下 , 另一头立刻就可以感觉得到 , 按照这样的思路 , 假如真的有一根1光年长的棍子 , 我们应该就能够以超光速传递信息和能量了 。
那么一根1光年长的棍子 , 真的可以实现超光速吗?答案当然是否定的 , 因为这个思想实验最基本的设定是“力能够通过棍子进行瞬间传递” , 而这个设定却无法在现实中实现 。
世界上的所有物体都是由大量的微观粒子构成 , 棍子当然也不例外 , 从微观的层面来看 , 棍子可以看成是一大堆原子的聚合体 , 在电磁力的作用下 , 这些原子通常会以“晶格”的形式整整齐齐地排列 。
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当我们推动棍子的时候 , 其实只是棍子最前端的原子受到了力 , 在受力之后 , 它们的位置就会发生改变 , 其电场分布也出现了不同 , 这会促使邻近原子的位置发生改变 , 而这些原子的位置改变后 , 更远的原子又会因为相同的原因而随之改变 。
简单来讲就是 , 我们推动棍子的力首先传递给“第一层”的原子 , 然后它们又去推“第二层”的原子 , 接着“第二层”的原子又去推“第三层”的原子 , 力就这样一层接一层地传递 , 直到传递到棍子的另一头 。
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爱因斯坦提出的相对论被称为现代物理学的两大基石之一|一根1光年长的棍子,真的可以实现超光速吗?】如上图所示 , 这其实就是一种机械波 , 它的速度是有限的 , 并不是想象中的那样“瞬间传递” 。 我们之所以会觉得在棍子的这头推一下 , 另一头立刻就可以感觉得到 , 其实是因为机械波在棍子中传播的时间很短 , 以至于我们无法察觉 , 具体有多短呢 , 我们不妨来简单计算一下 。
机械波的传播速度与传播介质的弹性模量(K)以及密度(ρ)密切相关 , 其计算公式为“V=根号下(K/ρ)” 。