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如果一个时钟的秒针特别特别长,那么秒针经过 1s 的运动后,它末端的点有没有可能超过光速?

2020-05-20科学

谢谢邀请。

不能。我明白题主产生这个疑惑的原因,因为按照 线速度=角速度×半径 的公式,只要半径够大,那么乘以固定的角速度,线速度肯定可以超光速。

虽然在你的印象中,秒针靠近中心位置和末端位置始终同步运动,但那只是你的错觉,因为秒针太短了,以至于你无法发现它们运动过程的不同步。

假设有这样一根足够长的秒针(先不考虑是否有足够的能量带动秒针运动的问题),当靠近中心的位置被齿轮带动时,这个形变是慢慢传递到秒针尖端的。这个传递过程到底有多慢呢?它的传递速度恰好等于声音在秒针中的传导速度,没错,就是 声速 。相比起光速,声速简直低到不值一提……

所以这样的实验结果,就是秒针最后变成了螺旋线……

有的同学可能会说,如果秒针是刚体呢?要注意的是,刚体只是我们为了简化某些物理问题的假设,实际上刚体并不存在。有些问题把物体简化为刚体,并不会对问题结论产生影响,也不会产生物理定律的矛盾,我们自然是乐于这样做的;但有些问题,你把物体简化为刚体,就产生了物理定律之间的矛盾,那就只能证明这种简化在此类问题中不适用。

当然了,如果一定要坚持「刚体」的假设,其实物理学上还是有许多拦路虎阻挡你超光速,比如相对论……具体推导我写在最后了,感兴趣的可以去看,对公式过敏的就算了。

不过作为一个学光学的,我经常遇到的另一个与此很类似的问题,那就是将这个题目中的「秒针」换成激光笔,当我们把激光笔划过天空,遥远的距离上,激光笔的光斑的移动速度岂不是超光速了?

其实看起来这和秒针那个本质上没有什么不同,激光笔光束的传播速度也同样是有限的,只是传播速度是光速,比声速快得多罢了,所以甩出的仍然是一条螺旋线……

但和秒针这个问题不一样的是,由于光子和光子之间是独立的,所以结论也会不同。

关于「是否可以超光速」的问题,物理学上有一个概念叫做「相速度」,物理知识丰厚的同学一下子就知道我要说啥了,但没接触过这方面的同学要理解这个概念还不是很容易。

举个例子来说,假如下图是海浪一波波地冲击沙滩,海浪和沙滩接触位置(绿点)的运动速度是完全可以超越海浪本身速度的,海浪换成光波的话,就是可以超光速的。这个速度就是「相速度」。相速度超光速并不违背任何的物理定律,因为其中没有信息或能量的传递。

不过激光笔光斑这个和相速度还真是没啥关系,因为这中间并不涉及严格物理学意义上的「运动」。具体到此问题中激光笔划过天空的情景,可以设想这样一个例子:

比如在天空中有很多很多星星,假如这些星星非常巧合的(别管为啥总之就是凑巧了)一个个排队交替闪烁,那么这个过程是可以视作「闪光点」在高速运动的,只要这些星星足够远,就可以实现「超光速」,激光笔扫过天空时,「光斑」的运动就是类似于这些星星依次点亮的过程。

举一个极限的情况吧。

假如我将激光笔首先向左照一下,然后迅速将激光笔旋转180°,向右照了一下,这个过程花费了1秒。经过一年后,假如在左侧一光年外的某个天体上形成了激光笔的光斑,那么一秒后,在右侧一光年外的某个天体上也形成了一个光斑。如果将光斑视作「运动」的话,那相当于一秒钟跨越了两光年的距离,这显然是超光速了。但这种超光速是没啥具体意义的。

有小伙伴问为啥秒针中形变的传播速度是声速,因为形变的传递过程和声音在介质内传递的过程本质是一样的, 都是一个位置的「变形」引起力的作用,然后传导到临近的位置,引起「变形」,所以传递速度就是机械波的速度。不过要注意的是,这里的「声速」是指秒针这类材料的声速,而不是空气中的声速。固体中声速要比空气中快不少,但相比光速,还是不值一提。

最初我真的是不想写涉及相对论内容的,因为一来这个回答只是我睡前的兴起之作,二来一旦涉及到数学公式,就变成了专业玩家小圈子的内容,而不是大众科普了。但随着大家提问的逐渐深入,不补充看来不行了……

我在前面的回答中提到,刚体不存在,秒针会转成螺旋线。这虽然摧毁了这个问题的前提,但并没有涉及到为何不能超光速的实质。

接下来补充涉及相对论的爱因斯坦圆盘部分,看数学公式像看天书的朋友可以走了。

假设有这么一个圆盘,特别牛逼,不需要考虑什么刚体是否存在的问题,反正我说是刚体就是刚体(思想实验嘛,就是任性),就这么高速转起来了,那么圆盘足够大的话,边缘是否可以超光速?

假设圆盘转速为 \omega ,圆盘静止时半径为 R ,那么静止时周长为 L_{0}=2\pi R ,这个很好理解。

在圆盘上任取一小圆心角 \Delta\theta ,对应边缘位置一小段,应用洛伦兹变换可以知道对应的边缘长度为: \Delta l=\sqrt{1-(v/c)^{2}}R\Delta\theta ,其中 v 就是我们想知道的边缘运动的速度了。但要注意的是,这个地方的 v 不能简单地用 v=\omega R 来计算,否则讨论半天不就没意义了嘛!

假设边缘质点扫过 \Delta l 用时为 \Delta t ,那么将速度最基础的定义套用进去,可以表达为 v=\Delta l/\Delta t 。当然了,自然也可以计算出 \omega=\Delta\theta/\Delta t 。

然后一通代入,就得到:

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

当 \omega 固定,随着 R 的增加,那肯定 v 也在增加。但很明显,这个增加是有极限的,即:

\lim_{R \rightarrow \infty}{v}=c 。

这就说明,哪怕是个牛逼的刚体圆盘,不必考虑任何材料的问题,半径可以无限增长,圆盘边缘的速度极限也只不过是光速而已……一个并不意外的意料之中的计算结论……其实从我开始运用洛伦兹变换的一刹那,相信熟悉相对论的同学脑海中已经复现出这个结论了……