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在火星和地球之间牵根绳子,通过拉绳子,能实现超光速通信吗?

在火星和地球之间牵根绳子,通过拉绳子,能实现超光速通信吗?
2021年04月10日 23:21 新浪网 作者 ACG次元饭001

  根据我们的经验,如果在绳子的这头拉一下,那么另一头马上就可以感觉到。因此可以说,绳子是可以传递信息的,我们只需要事先约定好拉绳子的各种细节,就可以通过拉绳子来进行通信,我们甚至还可以想象,假如我们能够在火星和地球之间牵根绳子,那么火星和地球也可以通过这种方式进行通信。

  进一步想,火星和地球之间最近的距离都有5500万公里,即使是以光速前进,也需要大约183.5秒才能跑完这段距离,而我们在地球的这头拉一下绳子,火星那一头马上就收到了信息,这不就是超光速通信吗?

  通过拉绳子,能实现超光速通信吗?

  从理论上来讲,如果想要通过拉绳子来实现无延迟的通信,就必须要求这根绳子不会因为力的作用而产生形变,并且其内部各点的相对位置也不会发生改变,换句话来讲就是,这根绳子必须是“绝对刚体”。

  然而“绝对刚体”只是一种理想的模型,在宇宙中并不存在这样的物质,所以我们在讨论这个问题的时候,就必须要考虑绳子形变所造成的延迟问题。

  毫无疑问,绳子是一种固体,从微观的角度来看,固体是由若干个原子构成,在固体的内部,原子在电磁力的作用下形成了有规律的晶格,大概是这个样子。

  当我们拉绳子的时候,绳子一端的原子受力发生了位移,这就会造成绳子发生形变,相应的电场分布也会随即发生改变,在此之后,邻近的原子会对这种变化作出响应,使受力运动到达新的位置,这种受力运动又会传递给更远的原子。

  我们可以简单地理解为,第一层的原子受到拉力之后,会去“拉”第二层的原子,接下来,第二层的原子又会去“拉”第三层的原子……在这个过程中,我们对绳子施加的拉力就在这样一直传递下去,直到被绳子的另一头感受到。

  可以看到,这种力的传递其实就是一种机械波,而机械波是具有一定的速度的,那么假如我们在火星和地球之间牵根绳子,在这头拉一下,另一头多久能感觉到呢?其实这是可以计算的。

  在不同的介质中,机械波的传播速度也是不一样的,这可以用公式“v=根号下(K/ρ)”来进行计算,其中K代表介质的弹性模量,ρ代表介质的密度。我们先来看看,如果这根绳子是一根钢丝绳是什么情况。

  钢丝绳的弹性模量一般在190至210GPa之间,这里我们不妨取值200,已知钢的密度约为7.85 x 10^3千克/立方米,将这些数据代入公式,我们就可以计算出,机械波在钢丝绳内的传播速度约为5千米/秒。

  也就是说,如果我们趁着火星距离地球最近的时候(5500万公里),在两者之间牵根钢丝绳,那么当我们在地球上拉了一下绳子之后,我们所施加的拉力将以5千米/秒的速度向火星传递,而当绳子的另一头感觉到的时候,已经是127天之后了。

  那有没有更好的材料来制作这根绳子呢?答案是肯定的。

  碳纳米管是目前已知的可以用来做绳子的最佳材料,其弹性模量可以高达1TPa,密度却只有约2.1 x 10^3千克/立方米。然而经过简单地计算我们就可以得出,机械波在碳纳米管中的传播速度也只有690千米/秒,与高达299792.458千米/秒的光速相比,这种速度根本就不值一提。

  从理论上讲,只有在弹性模量无限大的介质中,机械波在其内部的传播速度才能做到“瞬间即达”,从而实现超光速通信,遗憾的是,只有“绝对刚体”才能满足这个要求,而我们在前面已经提过,这样的物质在宇宙中并不存在。

  所以结论就是:就算我们能够在火星和地球之间牵根绳子,也无法通过拉绳子来实现超光速通信。

  顺便讲一下,我们在日常生活中之所以会认为在绳子的这头拉一下,另一头马上就可以感觉到,其实是因为绳子太短了。比如说对于一根100米长的钢丝绳而言,拉力只需要0.02秒就可以传递到另一头,而如此短的延迟时间,我们通常是察觉不到的。

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