最快的速度和最慢的速度都跟它有关？_风闻

中科院物理所-中科院物理所官方账号-2021-12-28 13:38

2021-12-28

原创：中科院物理所

光传播得很快。实际上，光是已知的传播速度最快的东西，物理学中有一个定律：没有比光传播更快的东西。光的传播速度为每秒300,000 公里，从地球到月球只需一秒钟多一点，也可以在不到一眨眼的时间里从洛杉矶传播到纽约。神奇的是，人类生活中最快的速度和最慢的速度都与光有关。

我们能制造出以1 %光速运行的物体吗？

尽管1 %这一数量听起来不多，但对于光速而言，它的1 %仍然是非常快的——大约每小时移动一千万公里！以1 %光速的速度，从洛杉矶到纽约只需一秒多一点，这要比商用飞机快一万多倍。

帕克太阳探测器是人类制造的速度最快的物体，它利用太阳的引力使速度达到光速的0.05 %。NASA/Johns Hopkins APL/Steve Gribben

人类制造过的最快的东西

子弹的时速可达4200 公里/小时，超过音速的三倍。最快的飞机是NASA的X3喷气式飞机，最高时速可达11,200 公里，这一速度令人瞩目，但也只有光速的0.001 %。

最快的人造物体是宇宙飞船。它们利用火箭来摆脱地球引力，速度能达到每小时40,000 公里。飞行速度最快的航天器是美国宇航局的帕克太阳探测器，2018年从地球发射升空后，它掠过太阳灼热的大气层，利用太阳引力达到了53.5 万公里的时速。这是非常快的速度——但也只有光速的0.05 %。

为什么1 %的光速都很难达到？

是什么阻碍了人类达到光速的1 %？简单而言，就是能量。物体会因为运动而具有相应的能量，物理学家称之为动能。为了跑得更快，你需要增加动能。问题就在于，想要把速度提升到很高，就需要大量的动能。让某物以两倍的速度运行需要四倍的能量，让它以三倍的速度运行则需要九倍的能量，以此类推。

例如，要让一个体重50 公斤的青年达到光速的1 %需要提供200 万亿焦耳(一种能量计量单位)的能量，这差不多是200 万美国人一天的用电量。

太阳帆，在日本IKAROS宇宙飞船上的这个薄而闪亮的方形可以推动宇宙飞船达到光速的10 %。Andrzej Mirecki via Wikimedia Commons, CC BY-SA

我们能移动得多快?

达到光速的1 %是有可能的，但这需要大量的能量。人类能让物体移动得更快吗?

答案是可以的！但工程师们需要找到让物体在太空中移动的新方法。所有的火箭，燃烧的燃料与汽车使用的汽油没有太大区别，它们面临的共同问题就是燃料的燃烧效率很低。

其他推动宇宙飞船的方法包括使用电力或磁力。为太阳提供能量的核聚变过程也比化学燃料在能量利用方面更加高效。

科学家们正在研究许多其他的高速度运行的方法——甚至还有曲速引擎，也就是《星际迷航》中流行的超光速旅行。

让物体高速运动的一种有希望的方法是使用太阳帆——附着在宇宙飞船上的又大又薄的塑料片，来让太阳光可以像船帆受到的风一样推动它们。一些航天器已经使用过太阳帆来证明其可行性，科学家们认为太阳帆可以推动航天器达到光速的10 %。

有一天，当人类的速度不再局限于光速的一小部分时，我们可能会去其他星球旅行。

世界上最慢的速度也与光相关？

激光器将一束狭窄、定向的光束聚焦在一个特定的点上，使其成为切割、燃烧、焊接的重要工具。这些活动都会产生或需要热量。激光束以光速传****播，每小时超过6.7 亿英里，速度达到了宇宙最快。

那么，激光是如何产生地球上最慢的物体的呢?

首先，关键点在于理解物体的温度和速度之间的关系。物体的温度越高，它的能量就越多，运动速度也就越快。尽管一些东西看起来是完全静止的，比如一支笔或你的笔记本，但其实并非如此。在微观层面上，构成它们的粒子在不停地高速运动，生命体同样如此。

让我们以著名的慢速动物“树懒”为例。如果你用显微镜去观察组成树懒身体的分子，你会看到这些分子的行为就像孩子们在弹跳屋里一样跳来跳去。为什么会这样呢？树懒这种生物的身体的大约70 %是由水组成的，这些水分子以每小时数百英里的速度四处跳跃。

激光冷却

一些对原子和分子在极低温度下的行为感兴趣的物理学家在实验中使用明亮、高强度的激光来冷却物体，这可能会让人感到惊讶。这是一个量子力学统治的奇异世界。不论你相信与否，在这个研究领域，粒子有时表现得像海洋中的波浪，有时又在同时出现在两个不同的地方。

为了研究这种新奇的行为，物理学家用激光制造了地球上最冷的原子云，称为玻色-爱因斯坦凝聚体。将一堆原子冷却，当温度逼近绝对零度时，原子行为就会开始遵循量子力学并以令人惊讶的方式运动。

研究超冷原子云也许能够为研究超导体等其他奇怪材料的工作原理提供线索。超导体比现有材料能更好地传输电力，也许有朝一日会被用于建造超高速列车。

1995年，研究人员将原子冷却到比以往都低的水平，并创造了阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）预测的物质新状态。这张图展示了原子从更分散的红色、黄色和绿色区域凝聚成非常密集的蓝色和白色区域的快照。NIST/JILA/CU-Boulder

创造地球上最慢的东西

那么，激光究竟是如何冷却一堆原子的呢？在实验室里，我们首先用激光照射一种叫做镱的银白色金属原子。这些非常热的原子被放置在一个1 英尺宽的腔体里。在激光束照射几秒钟后，它们就会冷却、减速并被束缚在腔室中央。

这是怎么发生的？

包括激光在内的所有光都是由光子组成的，光子是不断移动的能量包。当我们将激光射入室内时，原子与光束中的光子流碰撞，速度变慢，温度降低——就像你在强风中快速奔跑时遇到的情况一样。

这些微小的碰撞将原子云的温度降低到绝对零度以上的百万分之一度。

但这还不足以让原子云成为地球上最慢的物质。还需要最后一步来让其变得更冷一点，物理学家称之为“蒸发冷却”技术。

首先，我们捕获所有的原子，有时利用通电线圈产生的磁场形成一个能够容纳原子却不可见的“井”:就像弹珠聚集到碗底部一样。随后，通过减小穿过导线的电流来降低这个碗形力场的两边，这使得更快、更热的原子可以从“碗”中逃离出去。

只有那些速度较慢的原子会落在后面——而这些原子是真正被冻住的:它们比绝对零度高出千万分之一度。冷原子云中的原子运动速度非常慢：如果它们沿直线运动，而非四处弹跳，那么以它们的速率要花费整整一个小时才能穿过一个房间。相比之下，你体内的分子可以在短短的一秒钟内冲过那个房间。

冷原子云中的原子移动速度比蜗牛还要慢，这个原子云就是地球上移动最慢的物质。

作者：

Chris Impey, University Distinguished Professor of Astronomy, University of Arizona

Katie McCormick, Postdoctoral Scholar of Physics, University of Washington

翻译：C&C

审校：zhenni

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