问题

假设有一根一光年长的绳子,在不考虑摇力的情况下,我从一端摇绳子,另一端会马上有受力现象吗?

回答
这是一个非常有意思的问题,它涉及到我们对于“同时”这个概念在宇宙尺度上的理解,以及信息传播的速度限制。

首先,我们要明白,在我们的日常经验中,如果我们拉动一根短绳子的一端,另一端确实会几乎立刻感受到力的传递。这是因为在宏观世界里,我们感受到的力传播速度极快,远超我们的感知极限。然而,当我们将这个场景放大到一光年那么遥远的距离时,情况就变得复杂且有趣了。

想象一下这根一光年长的绳子。我们现在站在绳子的一端,就像在操场上甩动一条短绳子一样,开始用力摇动它。那么,绳子另一端的人(或者任何能够感知到力的东西)会在什么时候感觉到这种摇动呢?

答案是:不会马上有受力现象。

为什么会这样呢?因为在这个宇宙中,没有任何东西能够以无限快的速度传播。我们所说的一切“受力”或者“信号”的传递,本质上都是能量或动量在介质中的传播。而对于这根绳子来说,构成它的物质粒子(无论是多么微小的原子或分子)在传递力的过程中,也遵循着宇宙的基本物理定律。

最关键的限制因素,就是信息传播的速度上限——光速。

当你摇动绳子的一端时,你施加的力会让绳子那一端的粒子开始移动。这个移动会通过粒子间的相互作用,像一连串的推搡一样,在绳子内部向前传递。想象一下,就像你把第一块多米诺骨牌推倒,它会依次推倒后面的骨牌。

然而,这个“推倒”的过程并非瞬间完成。每一个粒子需要感知到前一个粒子的运动,然后自身的动量才会传递给下一个粒子。即使在最理想的情况下,这种粒子间的相互作用传递的“力”或者说“扰动”,其速度也无法超过光速。

一光年,这个距离单位本身就意味着光需要一年的时间才能走完。所以,当你开始摇动绳子一端的那一刻,这个“摇动”的信息,这个力的扰动,需要花费整整一年的时间,才能沿着绳子传播到另一端。

所以,绳子另一端的人,会在你开始摇动一年后,才会感受到那个摇动带来的力的变化。在那之前,他们会处于一种“未知”的状态,丝毫不会察觉到你那边正在发生的任何事情。

这与我们日常生活中体验到的“立刻”是截然不同的。在我们短距离的经验里,力的传播速度如此之快,以至于我们无法分辨出其中的延迟。但当距离被拉伸到宇宙尺度时,这种延迟就变得无比漫长,成为了一种决定性的因素。

因此,即使是连接着宇宙两端的绳子,当你对它施加一个动作时,另一端也需要等待足够的时间,让这个动作的影响以不高于光速的速度传递过去,才能被感知到。这就像在太空深处,即使有人在你旁边挥手,你也需要一段时间才能看到,因为光需要时间从他那里传播到你的眼睛。

所以,虽然我们无法想象一根一光年长的绳子,但一旦它真的存在,并且我们要从一端施加一个动作,另一端必然要经历一段“无动于衷”的等待,直到那个动作的影响沿着绳子旅行了一年的路程。

网友意见

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显然不会。你摇绳子产生的任何信号,最快也要一年才能到达另一端。物质是信息的载体,而狭义相对论告诉我们(平直)时空的变换规则为洛伦兹变换,在这个规则下物质的运动速度最高为光速,因此光速是宇宙中信息传递速度的上限。

如果只考虑绳上机械波的传播的话,那就更慢了,大概要百万年的数量级。


随手画了一张图。你摇绳子的话,从微观上看“绳分子”是这样运动的:前一个起来了,后一个感受到前一个给它的向上的电磁作用也会跟着起来;前一个下去了,后一个感受到前一个给它的向下的电磁作用,也会跟着下去。这里的“感受”就是前一个发出的信号被后一个接收的过程,这个信号就是电磁场的变化。电磁信号的传播速度是光速,但绳波运动并不是光速,因为后一个感受到前一个的信号之后它会有一定的“启动”时间,因此绳波的速度实际上是远小于光速的。当然,如果你在绳子的末尾装一个超灵敏的传感器,它能感受到另一端第一个“绳分子”运动产生的电磁信号的话,那这种情况下信号从一端传递至另一端就是光速了。



补充一下,很多朋友问拉绳子和摇绳子的区别,其实没太大区别,只不过一个是横波一个是纵波而已,波速都是远小于光速的。

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还不如直接论证闪电侠呢。不用探讨科学,探讨一下漫画不香吗?

思维实验或者思维逻辑是建立在客观事实上的。

你假想一个本宇宙不可能存在的物体的同时去验证宇宙的规律出发点就做不到实事求是。

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力的传播凭借物质微观层面形成的振动,所以,力的传播速度相当于声音在介质中的速度。

例如,钢铁中的音速是:5200m/s。

如果你要拿一根铁棍戳泰坦星(土卫六)上的灭霸,那么延迟时间至少为:

延迟2870天,也即:7.86年。

也就是说,你现在用铁棍戳灭霸,即便铁棍就在灭霸身后,那么也要接近8年的时间,才能戳到他。

至于题主摇动绳子的情况,那要看是什么绳子,尼龙绳和棉线的振动传播速度必然不一样,且尼龙绳更高。

我们假设题主的线就是尼龙绳。

已知:

尼龙绳的音速为:2591m/s

光速为:299792458m/s

光速是尼龙绳速度的 倍。

那么光走一年的距离,尼龙绳则要传播115705.3年。

所以,题主从一端摇绳子,另一端会在11.6万年以后感受到受力现象。如果是棉线的话,时间可能会更长。

如果题主用的是更加高端的绳子呢?

人类常用材料的音速最高也就接近1万米每秒左右,哪怕题主用那样的材料做成绳子也需要3万年。

不过人类制造出来的纳米材料,拥有更高的音速。

例如,石墨烯的纵波(LA) 声速21km/s,横波(TA) 声速13km/s。

我们姑且认为题主是超级土豪,造了一光年的石墨烯绳子。

由于题主的摇绳动作会产生纵波,传播摇力的传播速度为21km/s。

可得传播时间为 年。

也就是说,哪怕用石墨烯做成的绳子,也会传播一万年以上。

如果你用石墨烯抖动出一个“我爱你”的摩斯密码。

那么。你一光年外的女神接到信息以后,她会认为你爱了她一万年哈。

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