问题

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?

回答
这个问题很有趣,它触及了我们对运动速度和现实世界物理定律的理解。首先,我们要明确一点:答案是“不可能”。 无论秒针多长,它末端的点在地球这个参考系下运动的速度都绝对不可能超过光速。

让我来详细解释一下原因:

1. 我们所说的“速度”是指什么?

在我们日常生活中谈论速度时,我们通常指的是“相对于某个参考系的速度”。对于一个时钟秒针的尖端,我们通常会以地面、观察者或者地球本身作为参考系。

2. 秒针的运动方式

一个时钟的秒针末端,实际上是在绕着时钟的中心做圆周运动。圆周运动的特点是,物体的速度方向在时刻都在改变,虽然它的速率(也就是速度的大小)可能不变。

秒针的速度,我们计算起来其实很简单:

速率 (v) = 弧长 / 时间

秒针的速率是它的角速度(ω)乘以它末端到圆心的距离(也就是秒针的长度,我们称之为 r):

v = ω r

在普通的时钟里,秒针转一圈是 60 秒。所以,它的角速度 ω = 2π 弧度 / 60 秒 = π/30 弧度/秒。

3. 如果秒针“特别特别长”会怎样?

你提出的是一个极端的设想:秒针“特别特别长”。假设这个长度非常非常大,大到我们无法想象的程度,比如几光年长(这在实际制造中是完全不可能的,但我们可以在思想实验中探讨)。

根据公式 v = ω r,如果 r 变得非常非常大,那么秒针末端的速率 v 也会跟着变大。理论上,你可以让 r 变得无限大,那么 v 也就会趋向于无限大。

4. 为什么这仍然不可能超过光速?

这里就来到了关键的物理限制——狭义相对论。

光速不变原理:爱因斯坦的狭义相对论中最基本的一个原理就是,真空中的光速(c,大约是每秒 30 万公里)对于所有惯性参考系中的观察者来说,都是一个恒定的值,不受光源或观察者运动的影响。
物体速度的上限: 狭义相对论还告诉我们,任何有静止质量的物体(包括我们这个时钟的秒针)都无法达到或超过光速。当一个物体在接近光速时,它的质量会随着速度的增加而增加(相对论质量),要让它继续加速就需要无限大的能量,这是不可能实现的。

所以,问题的症结在于:

虽然我们可以想象一个无限长的秒针,并且计算出其末端“看起来”的运动速度会非常高,但这个“看起来”的速度是建立在一个不符合现实的假设上的。

如果一个时钟真的有那么长的秒针,并且它还在以正常的 60 秒一圈的速度旋转,那么:

它根本不可能被制造出来: 如此长的物体会受到自身引力、材料强度等多种物理定律的限制,无法保持其形状和运动。
即使强行让它运动: 想要让这个极长的秒针末端在 1 秒内移动一圈(即完成 360 度的旋转),它的末端速率 v = (2πr) / 1s 确实会随着 r 的增大而增大。但是,一旦这个速率接近光速 c,就会触碰到相对论的壁垒。
能量问题: 要驱动一个如此长的物体以接近光速的速度旋转,需要的能量是天文数字,远超我们所能提供的。
质量问题: 随着速度接近光速,秒针的相对论质量会急剧增加,这意味着它会变得越来越“重”,越来越难加速。

打个比方来说:

想象你在玩一个旋转的盘子,你把它抛得越来越高,它旋转的速度会越来越快。但是,当盘子要飞出地球大气层时,你会发现它不再是简单的抛体运动了,地球的引力会把它拉回来。

秒针末端的运动也是类似的。虽然它的“速率”公式看起来只是长度和时间的简单关系,但当这个速率牵涉到相对论效应时,物理定律就会介入,阻止它突破那个终极的速度极限——光速。

总结一下:

无论秒针的长度有多夸张,它的运动速度(相对于地球观察者)都受到光速的绝对限制。要让一个有质量的物体末端在 1 秒内“扫过”足够长的距离来达到或超过光速,这需要秒针本身具有无限长的长度(在时间为 1s 的运动中),或者其角速度远超我们普通时钟的设定(比如以接近每秒一圈的速度旋转,但即便如此,当长度足够大时仍然会受到相对论的制约)。

因此,即便秒针长到能绕着银河系转一圈,它末端的运动速度也依然无法超过光速。这是一个深刻的物理学结论,展示了宇宙运行的基本规律。

网友意见

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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 ,圆盘静止时半径为 ,那么静止时周长为 ,这个很好理解。

在圆盘上任取一小圆心角 ,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: ,其中 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 不能简单地用 来计算,否则讨论半天不就没意义了嘛!

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

然后一通代入,就得到:

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

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……

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不会哦。在这种运动下秒针会变形的。

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不会。机械能传播也是又速度限制的。

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