اگر یک سر میلهای فلزی به طول ۳۰ کیلومتر را تکان دهیم، انتهای آن فوراً حرکت میکند؟
کاربران در شبکه اجتماعی ردیت گاهیاوقات پرسشهای فیزیکی جالبی میپرسند که پاسخهای جذابی نیز دارند. یکی از این سوالات به این صورت مطرح شده است: اگر میله فلزی بلندی وجود داشته باشد که از ساحل انگلستان تا ساحل فرانسه برسد و یک نفر هر انتهای آن را نگه دارد، اگر یکی از افراد آن را بکشد، آیا انتهای دیگر بلافاصله حرکت میکند؟
اگر میله فلزی بسیار بلندی را تصور کنیم که از ساحل انگلستان تا فرانسه کشیده شده و دو نفر در دو سر آن ایستادهاند، شاید در نگاه اول اینطور به نظر برسد که اگر یکی از آنها میله را بکشد، سر دیگر باید بلافاصله حرکت کند. اما چنین چیزی در دنیای واقعی ممکن نیست و اگر این اتفاق بیفتد، به معنی انتقال اطلاعات با سرعتی بیشتر از نور خواهد بود؛ چیزی که قوانین فیزیک به آن اجازه نمیدهد. سرعت نور حد نهایی سرعت در جهان است و هیچ سیگنال یا اثر فیزیکی نمیتواند از آن سریعتر حرکت کند.
مشکل از آنجاست که ما معمولاً مواد جامد را یکپارچه و کاملاً سفت تصور میکنیم. اما در سطح اتمی، هیچ مادهای کاملاً صلب نیست. میله فلزی در واقع شبکهای منظم از اتمها است که مانند فنرهای بسیار ریز به هم متصلاند. این اتمها با نیروی الکترومغناطیسی یکدیگر را نگه میدارند و پیوسته در حال لرزش هستند.
حرکت در مواد جامد با سرعت نور منتقل نمیشود و انتقال تغییرات درون ماده با سرعت صوت در همان ماده صورت میگیرد
وقتی یک سر میله را فشار میدهید یا میکشید، اینطور نیست که تمام میله یکجا واکنش نشان دهد. ابتدا اتمهای نزدیک دست شما کمی جابهجا میشوند، این جابهجایی به اتمهای بعدی منتقل میشود، و همینطور مانند یک موج فشار در طول میله پخش میشود. سرعت حرکت این موج همان چیزی است که ما آن را «سرعت صوت» در آن ماده مینامیم.
بنابراین وقتی شما یک سر میله را تکان میدهید، انتهای دیگر آن فقط زمانی حرکت میکند که موج فشار به آن برسد، و سرعت این موج بسته به جنس ماده مشخص میشود. مثلاً سرعت صدا در هوا حدود ۳۴۰ متر در ثانیه است، در آب ۱۵۰۰ متر در ثانیه و در مواد جامد مثل فولاد چندین برابر سریعتر. دلیل این تفاوت این است که در مواد جامد اتمها بسیار به هم نزدیکترند و تغییری کوچک در فاصله میان آنها نیروی بزرگی ایجاد میکند که موج را سریع جلو میبرد. به زبان سادهتر، هر چه ماده سفتتر و فشردهتر باشد، سرعت حرکت موج فشار بیشتر است.
دانشگاه ایلینوی برای توضیح این موضوع اشاره میکند که سرعت صوت به «مدول حجمی» ماده بستگی دارد؛ یعنی اینکه ماده چقدر در برابر فشرده شدن مقاومت میکند. در گازها، افزایش چگالی و افزایش مدول حجمی تقریباً اثر هم را خنثی میکنند. برای همین، سرعت صدا در گازها نسبتاً پایین است. اما در مواد جامد اینطور نیست: مدول حجمی آنها بسیار بزرگ است، بنابراین سرعت صوت هم بسیار بالاتر میرود. به همین دلیل است که موج فشار در فولاد بسیار سریعتر از هوا حرکت میکند، اما همچنان سرعت آن از سرعت نور بسیار کمتر است.
حالا اگر فرض کنیم میلهای از آهن ساخته شده باشد و سرعت صدا در آن حدود ۵۱۳۰ متر در ثانیه باشد و طول میله هم تقریباً ۳۳ کیلومتر (کوتاهترین فاصله میان انگلستان و فرانسه)، کافی است طول میله را بر این سرعت تقسیم کنیم تا مدتزمان انتقال فشار را به دست بیاوریم.
نتیجه چیزی حدود ۶٫۴ ثانیه است. یعنی اگر شما در انگلستان میله را بکشید، کسی که آن را در فرانسه در دست دارد حدود ۶ ثانیه بعد اثر آن را احساس خواهد کرد. این زمان در مقایسه با واکنشهای روزمره چندان زیاد نیست، اما در برابر سرعت نور که همین فاصله را در ۰٫۰۰۰۱۱ ثانیه طی میکند تقریباً هیچ است. این مقایسه به خوبی نشان میدهد که حتی در سختترین و فشردهترین مواد نیز هیچ چیزی نمیتواند اثر را سریعتر از نور منتقل کند.
بنابراین، پاسخ دقیق به آن پرسش ساده این است که هیچ جسمی در جهان کاملاً صلب نیست و هیچ میله یا مادهای نمیتواند یک سر خود را «فوراً» با کشیدن سر دیگر جابهجا کند. همیشه باید صبر کرد تا موج فشار اتمبهاتم از درون ماده عبور کند و این زمان، هرچند کوتاه، محدود و قابل اندازهگیری است. این واقعیت کوچک اما مهم، نشان میدهد که قوانین فیزیک حتی در سادهترین و روزمرهترین چیزهایی که تصور میکنیم نیز حضور دارند و تعیین میکنند چه چیزی امکانپذیر است و چه چیزی نه.