对于知道光速不变原理的人来说,在了解这个原理的一瞬间,相信很多人的第一反应就是不信,马上就会质疑这个理论,并且很可能还会在脑海里想一些超越光速的方法或者思想实验。
而其中就有一些有趣的思想实验和方法,如果不深究的话,看上去好像真的能超越光速。而其中一个比较常见的方法就是利用轴承,因为这是人们最常见的东西。
我们在骑自行车或者电动车时会发现,当车轮转动时,相对较大的轮胎和轴心的飞轮旋转一周所用的时间是相同的(角速度相同)。但是轮胎的半径大于飞轮的半径,因此轮胎上任意一点的速度都要大于飞轮,这说明角速度相同的情况下,半径越大,线速度就越大。
从这这个现象出发,有人就开了一个脑洞:假如我拥有一根长度超过1光年的棍子,然后我将这根棍子晃动一下,那这根棍子的末端速度是不是就超越光速了?
一光年长的棍子,这个东西只能存在于我们的大脑里,现实世界中不可能存在这种东西。 1光年=365*24*60*60*300000千米=9.46万亿千米,这个长度相当于63240倍天文单位(以天文单位表示地球到太阳的距离)。
那在这个思想实验中如何证明光速也是不可超越的呢?有人会说,因为造不出这样的棍子,所以光速是不可能被超越的。很明显这个理由实在是太扯了,根本说服不了任何人。要知道,这只是一个思想实验,不能用现实的困难来禁锢思想。
我们这里只要进行假设,这根一光年的棍子就存在,而且你有这么大的力量可以直接转动这根棍子,而且你就是这么无聊想去转动这根棍子。那这时候超光速的结论是成立的吗?
不好意思,这种情况下,光速依旧不能被超越。为什么呢?这里我们需要了解力在物体内传播的方式。“力”在物体内传播时,是通过压缩波改变原子之间的距离实现的。你推一下物体,另一端需要一段时间后才能受力。
“力”在物体间内传播的时候,是有延迟的,所以我们不能用光速打败光速。所以当你真的转动这根长达1光年的棍子时,棍子肯定不会整体转动的,它的运动应该是弯曲的。
那怎样才能保证这根棍子整体进行旋转呢?学过“刚体”知识点的人知道,假如这根棍子是一个理想的刚体就行了。但如果真是这样又会发生什么情况呢?
为了让棍子不变形,组成这根棍子的原子间必须存在无穷大的电势能,只有这样才能在旋转时可以固定住彼此。这种电势固定导致原子之间的作用力变得无穷大,这就会导致原子之间会克服粒子间的基本力,原子核就会靠近。
结果就是,当棍子制造出来的一瞬间,棍子上的所有原子就会立刻坍塌,所有的原子核都会聚集在一起,变成一个像中子星一样的东西。所以,通过转动一根一光年长的棍子来超光速是不可能的。
那还有什么方法呢?齿轮又给大家带来了灵感,假如我们用一个直径1米的大齿轮带动小齿轮转动,那么当大齿轮转动一圈时,小齿轮就会转动一百圈,因为半径相差一百倍,所以速度也相差100倍。
假设第一个齿轮的速度是3m/s,当我们在后面继续添加齿轮的时候,第三个齿轮的速度就是3000m/s,第五个就是300000m/s了,只要到第八个,速度就是30万千米/秒了。就可以超过光速了。
这样的操作好像很简单,并不需要未来科技,现在的技术就可以轻易造出来。那真的如此吗,光速真的就这么简单可以被超越吗?很明显没这么简单,不然也不至于到今天也没有人通过这个方式实现超光速。
为了验证这个实验,真的有人制造出了类似的装置。这是一个100级的齿轮变速器,每一个齿轮都可以将它相邻齿轮的速度变为原来的1/10。当第一个齿轮转一圈,那么第二个齿轮就转动1/10圈,以此类推。
我们假设第一个齿轮转一圈需要1秒,那么第100个齿轮转一圈则需要10^100秒,相当于3.17*10^92年,要知道,宇宙从大爆炸出生到今天也只有138亿多年,这意味着,哪怕是宇宙毁灭,最后一个齿轮看上去都像是一动不动。
那我们将这个齿轮倒过来转动,是不是就可以进行加速了呢?假如最后一个齿轮的速度是1米/秒,那第一个齿轮的速度就能达到10^100米/秒,这可比光速要快多了。
但是实际转动时却并不是这样,因为阻力,最后一个齿轮根本转不动。我们假设旋转第一个齿轮只需要1个光子的能量,那么旋转最后一个齿轮转动所需要的能量,将超过宇宙中能量的总和。也就是说,将整个宇宙转化为能量,这个齿轮也没法逆向转动。
所以,靠多级齿轮也是无法超越光速的。现实生活的例子给了我们这样一个错觉,半径越大速度就越快,但是半径更大就意味着需要更大的动力,因为现实生活中的半径往往不够大,所以当这个半径拓展到光速的时候就行不通了。
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