根據(jù)我們的經驗,如果在繩子的這頭拉一下,那么另一頭馬上就可以感覺到。因此可以說,繩子是可以傳遞信息的,我們只需要事先約定好拉繩子的各種細節(jié),就可以通過拉繩子來進行通信,我們甚至還可以想象,假如我們能夠在火星和地球之間牽根繩子,那么火星和地球也可以通過這種方式進行通信。
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進一步想,火星和地球之間最近的距離都有5500萬公里,即使是以光速前進,也需要大約183.5秒才能跑完這段距離,而我們在地球的這頭拉一下繩子,火星那一頭馬上就收到了信息,這不就是超光速通信嗎?
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從理論上來講,如果想要通過拉繩子來實現(xiàn)無延遲的通信,就必須要求這根繩子不會因為力的作用而產生形變,并且其內部各點的相對位置也不會發(fā)生改變,換句話來講就是,這根繩子必須是“絕對剛體”。
然而“絕對剛體”只是一種理想的模型,在宇宙中并不存在這樣的物質,所以我們在討論這個問題的時候,就必須要考慮繩子形變所造成的延遲問題。
毫無疑問,繩子是一種固體,從微觀的角度來看,固體是由若干個原子構成,在固體的內部,原子在電磁力的作用下形成了有規(guī)律的晶格,大概是這個樣子。
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當我們拉繩子的時候,繩子一端的原子受力發(fā)生了位移,這就會造成繩子發(fā)生形變,相應的電場分布也會隨即發(fā)生改變,在此之后,鄰近的原子會對這種變化作出響應,使受力運動到達新的位置,這種受力運動又會傳遞給更遠的原子。
我們可以簡單地理解為,第一層的原子受到拉力之后,會去“拉”第二層的原子,接下來,第二層的原子又會去“拉”第三層的原子……在這個過程中,我們對繩子施加的拉力就在這樣一直傳遞下去,直到被繩子的另一頭感受到。
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可以看到,這種力的傳遞其實就是一種機械波,而機械波是具有一定的速度的,那么假如我們在火星和地球之間牽根繩子,在這頭拉一下,另一頭多久能感覺到呢?其實這是可以計算的。
在不同的介質中,機械波的傳播速度也是不一樣的,這可以用公式“v = 根號下(K/ρ)”來進行計算,其中K代表介質的彈性模量,ρ代表介質的密度。我們先來看看,如果這根繩子是一根鋼絲繩是什么情況。
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鋼絲繩的彈性模量一般在190至210GPa之間,這里我們不妨取值200,已知鋼的密度約為7.85 x 10^3千克/立方米,將這些數(shù)據(jù)代入公式,我們就可以計算出,機械波在鋼絲繩內的傳播速度約為5千米/秒。
也就是說,如果我們趁著火星距離地球最近的時候(5500萬公里),在兩者之間牽根鋼絲繩,那么當我們在地球上拉了一下繩子之后,我們所施加的拉力將以5千米/秒的速度向火星傳遞,而當繩子的另一頭感覺到的時候,已經是127天之后了。
那有沒有更好的材料來制作這根繩子呢?答案是肯定的。
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碳納米管是目前已知的可以用來做繩子的最佳材料,其彈性模量可以高達1TPa,密度卻只有約2.1 x 10^3千克/立方米。然而經過簡單地計算我們就可以得出,機械波在碳納米管中的傳播速度也只有690千米/秒,與高達299792.458千米/秒的光速相比,這種速度根本就不值一提。
從理論上講,只有在彈性模量無限大的介質中,機械波在其內部的傳播速度才能做到“瞬間即達”,從而實現(xiàn)超光速通信,遺憾的是,只有“絕對剛體”才能滿足這個要求,而我們在前面已經提過,這樣的物質在宇宙中并不存在。
所以結論就是:就算我們能夠在火星和地球之間牽根繩子,也無法通過拉繩子來實現(xiàn)超光速通信。
順便講一下,我們在日常生活中之所以會認為在繩子的這頭拉一下,另一頭馬上就可以感覺到,其實是因為繩子太短了。比如說對于一根100米長的鋼絲繩而言,拉力只需要0.02秒就可以傳遞到另一頭,而如此短的延遲時間,我們通常是察覺不到的。
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