一根1光年長的棍子, 我在這頭推一下, 另一頭會超光速嗎?

愛因斯坦提出的

相對論

被稱為現代物理學的兩大基石之一，其在科學界的認同度可想而知，然而在相對論的體系裡，卻有一個令人難以接受的理論，那就是宇宙中任何具有靜止質量的物體的運動速度都不能超光速，除此之外，任何能量和資訊的傳遞速度也不能超光速。

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既然令人難以接受，那麼就有人提出質疑，例如對於“具有靜止質量的物體的運動速度不能超光速”，就有人認為，假如有一艘宇宙飛船攜帶了充足的燃料，能夠不斷地給自己提供加速度，那麼經歷足夠長時間的加速之後，這艘宇宙飛船就可以超光速了。

在經典物理學中，這種假設應該是成立的，那相對論是如何對此進行解釋的呢？

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上圖為相對論動能公式，其中m0和v分別代表物體的靜止質量和速度，c為光速，從中我們可以看到，當一個物體的速度在無限接近光速時，其自身的動能也會無限增加。這就意味著，要將一個具有靜止質量的物體加速到光速，就需要無窮大的能量，這顯然是不可能的。

好吧，既然此路不通，那不妨再來看看“能量和資訊的傳遞速度不能超光速”，對此，有人提出了這樣一種思想實驗，假如有一根1光年長的棍子，我在這頭推一下，另一頭會超光速嗎？

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不得不說，這的確是一個很有想象力的思想實驗，因為在日常生活中，我們在棍子的這頭推一下，另一頭立刻就可以感覺得到，按照這樣的思路，假如真的有一根1光年長的棍子，我們應該就能夠以超光速傳遞資訊和能量了。

那麼一根1光年長的棍子，真的可以實現超光速嗎？答案當然是否定的，因為這個思想實驗最基本的設定是“力能夠透過棍子進行瞬間傳遞”，而這個設定卻無法在現實中實現。

世界上的所有物體都是由大量的微觀粒子構成，棍子當然也不例外，從微觀的層面來看，棍子可以看成是一大堆原子的聚合體，在電磁力的作用下，這些原子通常會以“晶格”的形式整整齊齊地排列。

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當我們推動棍子的時候，其實只是棍子最前端的原子受到了力，在受力之後，它們的位置就會發生改變，其電場分佈也出現了不同，這會促使鄰近原子的位置發生改變，而這些原子的位置改變後，更遠的原子又會因為相同的原因而隨之改變。

簡單來講就是，我們推動棍子的力首先傳遞給“第一層”的原子，然後它們又去推“第二層”的原子，接著“第二層”的原子又去推“第三層”的原子，力就這樣一層接一層地傳遞，直到傳遞到棍子的另一頭。

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如上圖所示，這其實就是一種

機械

波，它的速度是有限的，並不是想象中的那樣“瞬間傳遞”。我們之所以會覺得在棍子的這頭推一下，另一頭立刻就可以感覺得到，其實是因為機械波在棍子中傳播的時間很短，以至於我們無法察覺，具體有多短呢，我們不妨來簡單計算一下。

機械波的傳播速度與傳播介質的彈性模量（K）以及密度（ρ）密切相關，其計算公式為“V=根號下（K/ρ）”。

假設棍子是鋼做的，鋼的彈性模量可取值200GPa，密度可取值7。85 x 10^3千克/立方米，據此我們可以計算出，機械波在這根棍子裡的傳播速度大概是每秒鐘5千米。

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假設這根棍子的長度為10米（一般都沒有這麼長的棍子），那麼我們在這頭推一下，在0。002秒之後，另一頭就可以感覺到，如此短的時間間隔，沒人能察覺得到。

需要指出的是，機械波在任何已知介質中的傳播速度都遠遠低於光速，即使是在目前最好的材料——碳奈米管中，其傳播速度也只能達到大約每秒鐘690千米，而光速則是大約每秒鐘30萬千米，兩者相差好幾個數量級。

從理論上來講，只有在介質的彈性模量達到無窮大的時候，力才可以在其中瞬時傳遞，然而這種介質在現實中並不存在。因此可以說，就算真的有一根1光年長的棍子，並且我們還可以推動它，我們也無法實現超光速。

好了，今天我們就先講到這裡，歡迎大家關注我們，我們下次再見。