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如果一個時鐘的秒針特別特別長,那麽秒針經過 1s 的運動後,它末端的點有沒有可能超過光速?

2020-05-20科學

謝謝邀請。

不能。我明白題主產生這個疑惑的原因,因為按照 線速度=角速度×半徑 的公式,只要半徑夠大,那麽乘以固定的角速度,線速度肯定可以超光速。

雖然在你的印象中,秒針靠近中心位置和末端位置始終同步運動,但那只是你的錯覺,因為秒針太短了,以至於你無法發現它們運動過程的不同步。

假設有這樣一根足夠長的秒針(先不考慮是否有足夠的能量帶動秒針運動的問題),當靠近中心的位置被齒輪帶動時,這個形變是慢慢傳遞到秒針尖端的。這個傳遞過程到底有多慢呢?它的傳遞速度恰好等於聲音在秒針中的傳導速度,沒錯,就是 聲速 。相比起光速,聲速簡直低到不值一提……

所以這樣的實驗結果,就是秒針最後變成了螺旋線……

有的同學可能會說,如果秒針是剛體呢?要註意的是,剛體只是我們為了簡化某些物理問題的假設,實際上剛體並不存在。有些問題把物體簡化為剛體,並不會對問題結論產生影響,也不會產生物理定律的矛盾,我們自然是樂於這樣做的;但有些問題,你把物體簡化為剛體,就產生了物理定律之間的矛盾,那就只能證明這種簡化在此類問題中不適用。

當然了,如果一定要堅持「剛體」的假設,其實物理學上還是有許多攔路虎阻擋你超光速,比如相對論……具體推導我寫在最後了,感興趣的可以去看,對公式過敏的就算了。

不過作為一個學光學的,我經常遇到的另一個與此很類似的問題,那就是將這個題目中的「秒針」換成激光筆,當我們把激光筆劃過天空,遙遠的距離上,激光筆的光斑的移動速度豈不是超光速了?

其實看起來這和秒針那個本質上沒有什麽不同,激光筆光束的傳播速度也同樣是有限的,只是傳播速度是光速,比聲速快得多罷了,所以甩出的仍然是一條螺旋線……

但和秒針這個問題不一樣的是,由於光子和光子之間是獨立的,所以結論也會不同。

關於「是否可以超光速」的問題,物理學上有一個概念叫做「相速度」,物理知識豐厚的同學一下子就知道我要說啥了,但沒接觸過這方面的同學要理解這個概念還不是很容易。

舉個例子來說,假如下圖是海浪一波波地沖擊沙灘,海浪和沙灘接觸位置(綠點)的運動速度是完全可以超越海浪本身速度的,海浪換成光波的話,就是可以超光速的。這個速度就是「相速度」。相速度超光速並不違背任何的物理定律,因為其中沒有資訊或能量的傳遞。

不過激光筆光斑這個和相速度還真是沒啥關系,因為這中間並不涉及嚴格物理學意義上的「運動」。具體到此問題中激光筆劃過天空的情景,可以設想這樣一個例子:

比如在天空中有很多很多星星,假如這些星星非常巧合的(別管為啥總之就是湊巧了)一個個排隊交替閃爍,那麽這個過程是可以視作「閃光點」在高速運動的,只要這些星星足夠遠,就可以實作「超光速」,激光筆掃過天空時,「光斑」的運動就是類似於這些星星依次點亮的過程。

舉一個極限的情況吧。

假如我將激光筆首先向左照一下,然後迅速將激光筆旋轉180°,向右照了一下,這個過程花費了1秒。經過一年後,假如在左側一光年外的某個天體上形成了激光筆的光斑,那麽一秒後,在右側一光年外的某個天體上也形成了一個光斑。如果將光斑視作「運動」的話,那相當於一秒鐘跨越了兩光年的距離,這顯然是超光速了。但這種超光速是沒啥具體意義的。

有小夥伴問為啥秒針中形變的傳播速度是聲速,因為形變的傳遞過程和聲音在介質內傳遞的過程本質是一樣的, 都是一個位置的「變形」引起力的作用,然後傳導到臨近的位置,引起「變形」,所以傳遞速度就是機械波的速度。不過要註意的是,這裏的「聲速」是指秒針這類材料的聲速,而不是空氣中的聲速。固體中聲速要比空氣中快不少,但相比光速,還是不值一提。

最初我真的是不想寫涉及相對論內容的,因為一來這個回答只是我睡前的興起之作,二來一旦涉及到數學公式,就變成了專業玩家小圈子的內容,而不是大眾科普了。但隨著大家提問的逐漸深入,不補充看來不行了……

我在前面的回答中提到,剛體不存在,秒針會轉成螺旋線。這雖然摧毀了這個問題的前提,但並沒有涉及到為何不能超光速的實質。

接下來補充涉及相對論的愛因斯坦圓盤部份,看數學公式像看天書的朋友可以走了。

假設有這麽一個圓盤,特別牛逼,不需要考慮什麽剛體是否存在的問題,反正我說是剛體就是剛體(思想實驗嘛,就是任性),就這麽高速轉起來了,那麽圓盤足夠大的話,邊緣是否可以超光速?

假設圓盤轉速為 \omega ,圓盤靜止時半徑為 R ,那麽靜止時周長為 L_{0}=2\pi R ,這個很好理解。

在圓盤上任取一小圓心角 \Delta\theta ,對應邊緣位置一小段,套用勞侖茲變換可以知道對應的邊緣長度為: \Delta l=\sqrt{1-(v/c)^{2}}R\Delta\theta ,其中 v 就是我們想知道的邊緣運動的速度了。但要註意的是,這個地方的 v 不能簡單地用 v=\omega R 來計算,否則討論半天不就沒意義了嘛!

假設邊緣質點掃過 \Delta l 用時為 \Delta t ,那麽將速度最基礎的定義套用進去,可以表達為 v=\Delta l/\Delta t 。當然了,自然也可以計算出 \omega=\Delta\theta/\Delta t 。

然後一通代入,就得到:

v=\omega R/\sqrt{1+(\omega R/c)^{2}} 。

當 \omega 固定,隨著 R 的增加,那肯定 v 也在增加。但很明顯,這個增加是有極限的,即:

\lim_{R \rightarrow \infty}{v}=c 。

這就說明,哪怕是個牛逼的剛體圓盤,不必考慮任何材料的問題,半徑可以無限增長,圓盤邊緣的速度極限也只不過是光速而已……一個並不意外的意料之中的計算結論……其實從我開始運用勞侖茲變換的一剎那,相信熟悉相對論的同學腦海中已經復現出這個結論了……