力的传播速度有多快?在日常生活中有许多错觉,比如用手推车车立马会动,所以很多人认为力的速度是在一瞬间产生作用,远远超过光速。

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这种错误认知其实并不奇怪,牛顿在创立经典力学的时候,也认为万有引力的作用是瞬时的,这个观点源于当时实验条件和理论的局限性。直到爱因斯坦建立相对论,得出一个重要的推论——光速是我们宇宙中有效信息传递的最快速度。

关于“引力超越光速”的假象实验,有以下三个:

水滴实验:设计一根长达30万千米(大约光走一秒的距离)超细玻璃管,注满液体水,这时候从一端注入适量水,另一端立即会溢出来。由于水滴的作用在瞬时内将另一端的水滴“挤”出去,所以力的传播速度超越光速。

钢珠实验:造一根长达30万千米的空心管,里面塞满钢珠,这时候只需要在其中一端多塞入一个钢珠,另一端就会立即掉出来一颗。推力在瞬间完成作用,所以力的速度超越光速。

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断电实验:建一套电力控制系统,电源与电灯之间的导线长达30万千米,当按下开关的时候,灯在一瞬间熄灭,所以力的传播速度超越光速。

以上三个实验在现实中根本不可能实现,毕竟在光年的尺度上,人和地球都无比渺小。正是因为实验无法进行,假想者认为力是在一瞬间产生作用的,所以宇宙并不存在速度上限,只要物体之间建立能量连接,它们就能同时感应到对方的变化,并不存在速度和时间。

然而,以上假想其实是将经典力学与量子力学的混杂在一起的谬论。

就像牛顿运动定律,在低速宏观现象的解释中可说是万无一失,一旦进入光速量级的运动,就要换相对论来考虑了,事实上牛顿运动定律是相对论在低速下的近似。

众所周知,宇宙中存在的四种基本力——强力、弱力、电磁力和万有引力。其中,水滴实验和钢珠实验涉及到的接触力,在本质上其实是电磁力,当然也可能涉及到微观粒子之间的弱力和强力。

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所有物体包括水滴和钢珠都是基本粒子组成的,它们的结构是由粒子之间的相互作用力确定的,当物体表面受力后形状发生(弹性)变化时,微观结构也将发生变化,粒子之间的电磁相互作用力也将受到干扰。

电磁力在微观粒子之间传递,最终在宏观层面呈现出来的结果是,将另一端的水滴或者钢珠挤出去。

“力”与“波”之间存在一种特殊的关系,电磁力的传播需要借助电磁场,在本质上衡量它传播速度的其实是电磁波,两者是同一件事物,只不过从不同的角度来看待。

早在1865年,麦克斯韦创立了经典电磁理论,并预言了电磁波的存在,且通过麦克斯韦方程计算电磁波的传播速度是光速。

解释到这里真相大白,电磁力的传递速度=电磁波速度=光速c(真空中)。水滴并非瞬间将另一端的水滴挤出管外,而是以光速进行传播电磁力,在一定时间后才会实现宏观现象。

值得一提的是,水滴实验因为受到液体表面张力影响,存在明显延迟,绝不可能瞬时完成。我们都知道装满水的杯子,过量盛装少量水的情况下,水并不会溢出。所以,水滴实验纯属无稽之谈。

至于钢珠实验则非常玄妙,因为钢珠更趋近于刚体。所谓刚体就是在运动中和受力作用后,不发生任何形变,而且内部各点的相对位置不变的物体,也就是说所有微观粒子牢牢固定在一起,不发生任何结构变化。

刚体因为不能产生形变,对力的响应是瞬间完成的,并不需要传播时间,但刚体终究只是一种理想模型,实际上是不存在的,就像三体中的“水滴”一样,绝对零度、绝对规则、坚不可摧。

如果将30万千米的绝对刚体推动,另一端也跟着瞬时移动,有人认为这样就可以超光速。实际上,这时候已经谈不上力的传播速度,因为整个刚体都可以视为个体,想要借助刚体来实现超光速传递,除非刚体本身运动速度超光速,当然这些现在只能想象。

关于电传导的误区,在未通电状态下,导体内的自由电荷并不是静止不动的,而是在做无规则热运动,并不形成电流。

当金属导体两端加上电压后,就会在导体中迅速建立起电磁场,使导体中的自由电子立即开始定向移动,从而形成电流,其中的导电速度也就是电磁波的传递速度——光速。

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尽管金属导体中电子定向移动的速度仅为0.75毫米/秒,比蜗牛的爬行速度还慢。但这并不等同于电传导速度,因为只要电子定向运动就能产生电流,而不是依靠单个电子在导体内“走完全程”。

所以城市大面积断电是以发电厂为圆心,光速传播断电情况,而且部分地区还可能存在延迟,是因为线路中有电容或蓄电装置能够短时放电,造成延缓停电的现象。

最后关于引力的传播速度,广义相对论认为,引力并不是真正意义上的力,而是质量弯曲时空之后产生的几何效应,它在空间中的传播速度就是光速。

2015年,引力波激光干涉天文台(LIGO)探测到远在13亿光年之外的两个黑洞发生碰撞释放出了引力波。这场碰撞事件极为强烈,引力波在太空中传播了13亿年才到达地球。此次事件首次直接证实了爱因斯坦对引力波的预言,这也是最为重要的广义相对论预言之一。