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音频在哪里？音频在这里。 今天是王木头讲科学的第31期节目。 来自北京大学的木头哥哥是把科学带回家的明星主持人，他最擅长给孩子讲有趣的科学。 ▼ ▼ 用听的 ▼ ▼ ▼ ▼ 用看的 ▼ ▼ 我们继续来看火车和隧道的问题吧。一个火车比隧道长，但是当它高速运动的时候，在地面上的人看来火车的距离是会缩短的。这一点我们前面的内容已经讨论过了。我们还想象了，假如隧道的入口和出口有两扇门，从地面上看过去，当缩短后的火车进入隧道这两扇门会突然关闭一下，这一刹那就会把火车关进隧道。而如果换成在火车上的人，他们会看到，两扇门并不是同时关闭的。也就是说地面上看到的是同时发生的事情，在火车上看来却有了先后顺序。 我想这部分大家在思考过后应该可以很好理解。可是，在上次内容最后，我却提出了一种情况，可能会又一次让大家感觉到困惑。缩短后的火车快速进入隧道，隧道入口出口的门快速关闭一下，然后打开。关闭的那一瞬间，火车是被关在隧道中的。然后，门会再次打开，火车不减速，也就是说火车仍然是以缩短状态快速通过隧道。 可是，如果隧道的出口被堵上了，会发生什么呢？缩短的火车进入隧道，因为现在它的长度比隧道短，所以肯定有那么一个时刻火车头还没有撞到出口的墙，但是火车尾已经进入隧道入口。这个时候关上入口的门，缩短的火车就被关在了隧道中了。可是呢，火车本身是比隧道要长很多的，只是因为快速运动才变短了。当快要撞上墙的时候，火车是会急刹车的，在撞到墙之前让火车停了下来。 那问题就来了，之前火车缩短的时候已经被装在了隧道中，入口的门已经关闭。可那时候的火车是运动着的，而现在火车静止下来了。不再继续运动就代表着它不是缩短状态，恢复到了正常长度。可是，火车的长度是超过隧道的，这个时候会发生什么呢？你能想到吗？ 回答这个问题之前，我们先来设想这样一个情况。地球需要向月球传输信息，最快的方式就是通过光，或者说是电磁波，反正它们是同一种东西。这样地球上发生了什么事情，大概用1秒钟的时间月球就可以收到信息。可是，有一个人提出了很奇怪的方法，并且还说使用他的方法能让信息传播的速度会比光还要快。你一听到他说超光速，就觉得这肯定不靠谱了。先别着急，可以一起先来看看他说的有没有道理。 他说，可以修一根非常结实的金属棍，一头放在月球上，一头放在地球上。如果地球上发生了什么事情，那么就用力把这根棍子往前一推。我们都有这样的经验，如果你推的是一根弹簧的话，推一头，另外一头可能要等一会才会有反应。可是如果推一个跟棍子，那可是只要推一头，另一头会瞬间就向前移动的。这样的话，连着地球和月球上的这根棍子，只要推一下地球这一端，月球那一端马上就会知道，肯定是会比1秒钟短的。那这不就代表着信息传递超过了光速吗？ 这么一听，虽然我们知道超光速肯定不可能，但是一下子又找不什么漏洞，听起来还是蛮有道理的。那这个问题到底出在了哪里呢？这就要大家来分析一下，弹簧和金属棒的区别了，为什么弹簧会是动一头，另一头过一段时间才会动，而金属棒却可以动一头，另一头瞬间就动了。这就要看弹簧的细节了，弹簧的是由一个一个的金属环螺旋连接起来的，你动了一头，那么最边上的这个金属环会去推下一个金属环，下一个又会推下下个，就这样像是多米诺骨牌一样，一个一个的传过去，最后传到了末尾。 金属棒呢？它又会经历什么呢？真的是可以瞬间就把动作从一头传到另一头了吗？同样，我们还是要看金属棒的细节了，不过金属棒的细节不像弹簧那么容易看到，我们需要把它放大非常非常多，直到可以看金属原子才可以。金属是由原子构成的，原子和原子之间也不是紧密相连，而是中间有空隙，靠着电磁力维持着一个合适的距离。 为了方便想象，我们可以把这个电磁力想象成一个弹簧，连接着金属原子。太近了不行，太远了也不行。如果我们推动金属棒的一头，其实最开始只能推动和手指接触一小部分原子。这些原子的位置会发生改变，又因为电磁力和其他原子相连，所以就会继续影响旁边的原子，然后就这样一直传递下去，最后传到金属的另一头。这个过程完成的非常的快，所以如果金属棒比较短的话，的确是感觉不到，而如果金属棒很长，比如从地球到月球，那可就没有办法忽略了。 所以啊，用金属棒也是没有办法超光速传递信息的。而且，世界上也不存在任何绝对刚体的东西，所以也就不会有东西可以瞬间把动作从一头传到另外一头。这里解释一下什么是刚体啊，就是不会发生任何变形的东西，金属棒虽然比弹簧，或是海绵更接近刚体，但是世界上没有绝对的刚体。 或许你还会想，没有绝对的刚体，那么瞬间传递信息是不可能了，但是并不代表这个传递的速度就比光速慢啊。你有这样的想法非常的棒，证明了你正在思考。其实你想想看，这种运动在物体中传递的情况，是不是都依靠的是原子之间的作用力传递呢？而这个作用力就是电磁作用力，光的本质就是电磁啊。所以，我们可以得出这样的结论，运动在物体中的传递是永远不会比光速快的。 其实，你还可以很容易知道运动在不同物体中传递的速度是多少。只要去查一下，声波在这个物体中传播的速度，就是我们刚才说的你推物体的一头，在另一头能被感觉到的速度。道理很简单，你推物体，物体有反应实际就是原子的移动。声音的传播，也是原子的移动。只不过你去推物体，让它移动，它只是动力一下，而声音会是反复振动。这样子，假如那根连接地球和月球的金属棒是铁做的，声音在铁中的传播速度是5000多米每秒，那你移动地球这一端的金属棒，月球能感觉到，大概就需要1分多种了。 好了，这个问题我们了解了，再回头看一下最开始火车和隧道的问题。火车可是很长的，当火车头看到快撞墙之后，急踩刹车。我们先假设，火车刹车的部分是火车头。可以想象一下自行车刹车，就相当于是用前轮刹车，由前轮提供了停下来的阻力。火车头因为受到阻力速度变慢，但是这个速度变慢的动作要想传递到火车尾可是还要花一些时间的。这就和我们上面讲的，推金属棒1分多钟才能传到月球上是一个道理。 那么这个时候就会出现火车头和火车尾的速度不一样，并且还是火车尾比火车头速度快。那这个火车在刹车的时候其实就会被压缩，直到火车停下来。如果火车本身非常结实，压缩后还会像弹簧一样弹开，恢复到原来的长度。那么我们就会看到，在火车停下来之后会顶破隧道入口的门，车尾伸了出去。可是如果火车不够结实，没有着弹性的话，那么它就会一直保持着缩短的长度。不过，这对于火车来说将会是一个灾难，因为这样的火车就相当于是用巨大的力气把它压扁了，肯定是破烂不堪而无法使用了。 刚才是火车头刹车的情况。那你会不会想，如果是整个火车同时刹车，就像是自行车前轮和后轮同时刹车，这样车尾和车头可以同时减速，又会出现什么情况呢？是不是车尾挤压车头的情况就可以避免了呢？如果你也有这样的疑问，那么可以仔细想想看，同时刹车，这个“同时”的概念我们还可以随便用吗？ 就来试试，是不是可以做到让火车所有车厢都同时刹车吧。假如火车开进了隧道，火车头眼看就要撞到墙上了，所以赶快进行刹车。那么火车头如何把这个刹车的动作传给后面所有的车厢呢？自行车，左右手同时刹车，可以通过钢丝把手上刹车的动作传到车轮上。通过钢丝啊，金属杆之类的把刹车动作传出去，是不可能是瞬间就完成的，也是要花时间的，因为它们不是绝对的刚体。所以，火车头刹车的动作，要想传到后面车厢，是要花一些时间的，也就是说不可能做到整列火车同时减速，车头车尾速度还是不同，那火车还是会被压扁。 所以，看来用机械传动装置传递刹车信号是不行了。其实如果用光线啊，电磁波啊，虽然比金属杆要快但也是不行的，也是要花时间。那可不可以不传递信号呢？比如，事先先计算好火车头快到墙的时间，然后所有车厢上都用一个非常准确的表去对好时间。约定好，到了某个时刻，大家一起刹车。这样是不是可以做到同时呢？还是不行的。因为相对论本身就是说，只要时钟互相之间有一定距离，在这个方向上发生移动，那么这个距离会缩短，同时时钟本来是相同的时刻，也会变的不相同了。这就是速度影响了同时性。 就比如，订好所有的车厢都是在12点这个时刻开始刹车。如果静止的话，所有车厢的表都是同时到达12点，可是当火车运行起来以后，就是车头的表先到12点，然后是后面的车厢，以此类推，最后才是车尾的表到达12点。所以，火车还是避免不论被压扁的命运。 或许你还会想，既然我们已经知道火车运动起来车厢里的表会变得不同步，那么是不是可以在最开始对表的时候就把这个情况考虑进来，把表的时间进行调整，正好抵消掉各自车厢延后的时间，保证刹车那一瞬间是所有车厢同时刹车。这样是不是就可以避免压缩了呢？这样的话的确是可以避免刹车的那一瞬间火车被压扁。 但是，还是有问题。这就需要我们换一下观察角度，不是继续在地面上静止地观察，而是站在了火车上。你在火车上，是感觉不到火车运动的，所以火车每一节车厢的时间也不会有变化。我们为了达到在地面看起来是所有车厢都同时刹车的目的，于是就调整了表的时间，越是靠近车尾的车厢，表应该是越早到达12点。 你想想看是不是这个样子的，只有这样在地面上看来才可以抵消掉本应该延后的时间。所以，你在火车上将会看到，火车尾的表提前到达12点。车尾开始刹车，这个时候车头还没有到达12点，还在全速前进。那么会出现什么情况呢？火车不再是被压扁了，而是会被拉长。火车被拉长了，在地面上去看会看到什么情况呢？火车还可以保持正常的长度吗？大家可以自己思考一下。 好了，这问题我们就暂时讨论到这里吧。不知道你会不会感觉到开始很绕很烧脑呢？如果自己不琢磨一下的话，还真的很难搞明白。下一次，我会帮大家总结一下这几次的有关同时性的内容。然后就准备展开另一个狭义相对论中经典的话题，双生子佯谬了。 《王木头讲科学》的时光机 |
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