先來說說什么是材料？材料有什么屬性？? ? 材料的力學性能材料的力學性能，指的是材料在外力作用下表現(xiàn)出來的性能。其主要指標有強度、塑性、硬度、韌性、疲勞等。1.強度：強度指的是在外力作用下，材料抵抗塑性變形和斷裂的能力，強度指標通常通過靜拉伸試驗測定。2.塑性：材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力叫塑性，可以通過靜拉伸試驗測定。3.硬度：材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力稱為硬度。硬度表示方法有布氏硬度（HBW）、洛氏硬度（HR）、維氏硬度（HV）、肖氏硬度（HS）。4.韌性：表示材料在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力。5.疲勞強度：材料在無限多次交變載荷作用而不會產(chǎn)生破壞的最大應(yīng)力。

其實狹義相對論還會影響物體的材料屬性。

自從光速不可被超越的結(jié)論被提出后，科學家們設(shè)計了很多思維實驗，試圖證明光速存在被超越的可能。

1. 超光速的思維實驗

1.1 金箍棒

假設(shè)孫悟空站在地面上，命令他那跟金箍棒伸的很長很長，一直捅到月球上。并事先跟月亮上的嫦娥約定好：如果看到金箍棒動了，就放一束煙花。

之后孫悟空在地球的這一端向上推動金箍棒。如果金箍棒是一個絕對堅硬的物體，另一端的嫦娥會立刻看到金箍棒動了一下。這樣的話，孫悟空就以超過光速的速度給嫦娥傳遞了一個信息。

月球到地球的距離有38萬公里，光信號發(fā)過去需要超過一秒鐘的時間，而孫悟空用金箍棒卻能完成信號的瞬間傳遞。

1.2 揮動金箍棒

孫悟空利用金箍棒還有很多方法可以做到超光速。比如他可以命令金箍棒伸長到銀河系的中心，然后用力的揮動金箍棒。這樣金箍棒的尖端就以孫悟空為圓心，以自身的長度為半徑在宇宙中做圓周運動。

而物體做圓周運動的速度等于半徑乘以角速度。因此只要金箍棒足夠長，孫悟空不需要揮舞的很快，金箍棒尖端的速度也可以輕松超過光速。

1.3 什么是剛體？

上面這兩個案例，錯就錯在都假設(shè)了金箍棒是剛體。

剛體就是完全沒有彈性的物體。在現(xiàn)實世界中，一個物體不管多硬，只要有外力施加上去，都會發(fā)生形變。只不過硬度大的物體，在同樣的外力情況下，形變要比硬度小的物體小。

在彈性力學中，對物體施加的外力叫應(yīng)力，物體大小的變化相對于沒有外力時候的大小的百分比叫應(yīng)變。應(yīng)力除以應(yīng)變，再除以這個物體的橫截面積，叫做楊氏模量。楊氏模量越大，物體的硬度就越大，所以剛體就是楊氏模量無窮大的物體。

然而剛體是不存在的。因為萬事萬物都由原子構(gòu)成，當給一個物體施加外力的時候，其實是第一排原子先發(fā)生運動，再推動下一排原子運動。而這兩排原子之間是有距離的，第一排原子把運動傳遞給下一排原子就需要一定的時間。

所以即便原子的運動是以光速傳播，信息傳播的速度也不會超光速。孫悟空在地球上推動金箍棒，金箍棒的反應(yīng)是先被壓縮，然后再把這種壓縮的趨勢傳遞到月球上。

2. 再看火車悖論

2.1 對愛因斯坦狠一點

了解了什么是剛體，我們再來看看火車悖論還能產(chǎn)生哪些有趣的現(xiàn)象？

還是假設(shè)愛因斯坦坐著高速運動的火車進入了隧道，普朗克操控隧道前后兩扇門關(guān)閉。這次普朗克就不把門打開了，真的把這輛火車裝在隧道里。那么下一秒鐘，火車就會撞到隧道出口的門上。

我們假設(shè)門是堅硬無比的，火車沖不出去，這樣的話，火車就會被迫停下來。那么在普朗看來，停下來的火車就被限制在了隧道里。但是由于火車停下來了，尺縮效應(yīng)就沒有了，火車要恢復原來的長度。

而這個時候隧道的前后門已經(jīng)關(guān)上了，所以火車就必須要經(jīng)歷一個被壓縮的過程。

2.2 愛因斯坦看到了什么？

但是愛因斯坦會看到更奇特的現(xiàn)象。

首先愛因斯坦肯定會看到火車撞到前門的事件，但是根據(jù)同時性的相對性，這個時候后門還沒有關(guān)閉。按理說，火車被迫停了下來，尺縮效應(yīng)也會跟著消失。而火車本來就比隧道長，不會發(fā)生整個被隧道裝住的情況。

但是火車進入隧道被裝住又是一個客觀事實，普朗克明明做到了，還讓火車經(jīng)受了非常嚴重的擠壓。這又是怎么回事呢？

答案是這樣的：當火車頭跟前門相撞的時候，車頭感受到?jīng)_擊力停了下來。但是這個時候車尾不會立刻停下來，因為車頭已經(jīng)停了這件事的信息，至少要以光速才能傳遞給車尾。所以在車頭剛剛經(jīng)歷撞擊的時候，車尾還沒有反應(yīng)過來，而是在慣性作用下繼續(xù)向前運動。

按照物體的材料屬性，車頭已經(jīng)停下來這個信息要什么時候能夠傳遞到車尾，應(yīng)該是由材料的彈性決定的。材料經(jīng)歷形變的信息在材料內(nèi)的傳播，叫做材料內(nèi)的機械波。

通常楊氏模量越大的物體，它傳遞機械波的速度也越快，比如一根緊致的彈簧振動起來，就比一根同樣大小的松的彈簧要快。所以車頭停下來的信息傳遞到車尾的速度，是由火車的材料屬性決定的?；旧匣疖嚨牟牧显接?，就會越快停下來。

但從另一個角度來看，情況就不是這樣了。對于地面上的普朗克來說，火車什么時候完整的進入隧道是確定的。盡管在普朗克看來，前門和后面關(guān)閉的時間是同時的，但是經(jīng)過計算，我們可以精確地知道切換到愛因斯坦的視角，前門和后門關(guān)閉的時間差。

也就是說無論火車是用什么材料做的，它必須在確定的時間進入隧道。這樣的話，火車的彈性似乎就跟材料沒有什么必然聯(lián)系了。

這里就又出現(xiàn)了矛盾，在真實世界里，一個物體的彈性不可能跟它的材料無關(guān)。我們可以用不同的材料來造這列火車，比如用鋼鐵和棉花糖，看到的效果肯定是不一樣的。

然而根據(jù)狹義相對論的計算，無論怎么改變火車的材料，似乎都不影響它的彈性。那么要如何解決這個悖論呢？

3. 廣義相對論的必要性

在學習狹義相對論的時候，不得不時刻強調(diào)它的使用邊界。狹義相對論研究的對象太過理想，只適用于勻速直線運動的物體。一旦涉及到加速減速的問題，比如愛因斯坦乘坐的火車突然停下來，就已經(jīng)不在狹義相對論的討論范圍內(nèi)了。

上面分析的悖論就是一個狹義相對論解決不了的問題，因為有了加速度，所以必須要借助廣義相對論，才能知道具體發(fā)生了什么。