最快的速度和最慢的速度都跟它有關？_風聞

中科院物理所-中科院物理所官方账号-2021-12-28 13:38

2021-12-28

原創：中科院物理所

光傳播得很快。實際上，光是已知的傳播速度最快的東西，物理學中有一個定律：沒有比光傳播更快的東西。光的傳播速度為每秒300,000 公里，從地球到月球只需一秒鐘多一點，也可以在不到一眨眼的時間裏從洛杉磯傳播到紐約。神奇的是，人類生活中最快的速度和最慢的速度都與光有關。

我們能製造出以1 %光速運行的物體嗎？

儘管1 %這一數量聽起來不多，但對於光速而言，它的1 %仍然是非常快的——大約每小時移動一千萬公里！以1 %光速的速度，從洛杉磯到紐約只需一秒多一點，這要比商用飛機快一萬多倍。

帕克太陽探測器是人類製造的速度最快的物體，它利用太陽的引力使速度達到光速的0.05 %。NASA/Johns Hopkins APL/Steve Gribben

人類製造過的最快的東西

子彈的時速可達4200 公里/小時，超過音速的三倍。最快的飛機是NASA的X3噴氣式飛機，最高時速可達11,200 公里，這一速度令人矚目，但也只有光速的0.001 %。

最快的人造物體是宇宙飛船。它們利用火箭來擺脱地球引力，速度能達到每小時40,000 公里。飛行速度最快的航天器是美國宇航局的帕克太陽探測器，2018年從地球發射升空後，它掠過太陽灼熱的大氣層，利用太陽引力達到了53.5 萬公里的時速。這是非常快的速度——但也只有光速的0.05 %。

為什麼1 %的光速都很難達到？

是什麼阻礙了人類達到光速的1 %？簡單而言，就是能量。物體會因為運動而具有相應的能量，物理學家稱之為動能。為了跑得更快，你需要增加動能。問題就在於，想要把速度提升到很高，就需要大量的動能。讓某物以兩倍的速度運行需要四倍的能量，讓它以三倍的速度運行則需要九倍的能量，以此類推。

例如，要讓一個體重50 公斤的青年達到光速的1 %需要提供200 萬億焦耳(一種能量計量單位)的能量，這差不多是200 萬美國人一天的用電量。

太陽帆，在日本IKAROS宇宙飛船上的這個薄而閃亮的方形可以推動宇宙飛船達到光速的10 %。Andrzej Mirecki via Wikimedia Commons, CC BY-SA

我們能移動得多快?

達到光速的1 %是有可能的，但這需要大量的能量。人類能讓物體移動得更快嗎?

答案是可以的！但工程師們需要找到讓物體在太空中移動的新方法。所有的火箭，燃燒的燃料與汽車使用的汽油沒有太大區別，它們面臨的共同問題就是燃料的燃燒效率很低。

其他推動宇宙飛船的方法包括使用電力或磁力。為太陽提供能量的核聚變過程也比化學燃料在能量利用方面更加高效。

科學家們正在研究許多其他的高速度運行的方法——甚至還有曲速引擎，也就是《星際迷航》中流行的超光速旅行。

讓物體高速運動的一種有希望的方法是使用太陽帆——附着在宇宙飛船上的又大又薄的塑料片，來讓太陽光可以像船帆受到的風一樣推動它們。一些航天器已經使用過太陽帆來證明其可行性，科學家們認為太陽帆可以推動航天器達到光速的10 %。

有一天，當人類的速度不再侷限於光速的一小部分時，我們可能會去其他星球旅行。

世界上最慢的速度也與光相關？

激光器將一束狹窄、定向的光束聚焦在一個特定的點上，使其成為切割、燃燒、焊接的重要工具。這些活動都會產生或需要熱量。激光束以光速傳****播，每小時超過6.7 億英里，速度達到了宇宙最快。

那麼，激光是如何產生地球上最慢的物體的呢?

首先，關鍵點在於理解物體的温度和速度之間的關係。物體的温度越高，它的能量就越多，運動速度也就越快。儘管一些東西看起來是完全靜止的，比如一支筆或你的筆記本，但其實並非如此。在微觀層面上，構成它們的粒子在不停地高速運動，生命體同樣如此。

讓我們以著名的慢速動物“樹懶”為例。如果你用顯微鏡去觀察組成樹懶身體的分子，你會看到這些分子的行為就像孩子們在彈跳屋裏一樣跳來跳去。為什麼會這樣呢？樹懶這種生物的身體的大約70 %是由水組成的，這些水分子以每小時數百英里的速度四處跳躍。

激光冷卻

一些對原子和分子在極低温度下的行為感興趣的物理學家在實驗中使用明亮、高強度的激光來冷卻物體，這可能會讓人感到驚訝。這是一個量子力學統治的奇異世界。不論你相信與否，在這個研究領域，粒子有時表現得像海洋中的波浪，有時又在同時出現在兩個不同的地方。

為了研究這種新奇的行為，物理學家用激光製造了地球上最冷的原子雲，稱為玻色-愛因斯坦凝聚體。將一堆原子冷卻，當温度逼近絕對零度時，原子行為就會開始遵循量子力學並以令人驚訝的方式運動。

研究超冷原子雲也許能夠為研究超導體等其他奇怪材料的工作原理提供線索。超導體比現有材料能更好地傳輸電力，也許有朝一日會被用於建造超高速列車。

1995年，研究人員將原子冷卻到比以往都低的水平，並創造了阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）預測的物質新狀態。這張圖展示了原子從更分散的紅色、黃色和綠色區域凝聚成非常密集的藍色和白色區域的快照。NIST/JILA/CU-Boulder

創造地球上最慢的東西

那麼，激光究竟是如何冷卻一堆原子的呢？在實驗室裏，我們首先用激光照射一種叫做鐿的銀白色金屬原子。這些非常熱的原子被放置在一個1 英尺寬的腔體裏。在激光束照射幾秒鐘後，它們就會冷卻、減速並被束縛在腔室中央。

這是怎麼發生的？

包括激光在內的所有光都是由光子組成的，光子是不斷移動的能量包。當我們將激光射入室內時，原子與光束中的光子流碰撞，速度變慢，温度降低——就像你在強風中快速奔跑時遇到的情況一樣。

這些微小的碰撞將原子雲的温度降低到絕對零度以上的百萬分之一度。

但這還不足以讓原子雲成為地球上最慢的物質。還需要最後一步來讓其變得更冷一點，物理學家稱之為“蒸發冷卻”技術。

首先，我們捕獲所有的原子，有時利用通電線圈產生的磁場形成一個能夠容納原子卻不可見的“井”:就像彈珠聚集到碗底部一樣。隨後，通過減小穿過導線的電流來降低這個碗形力場的兩邊，這使得更快、更熱的原子可以從“碗”中逃離出去。

只有那些速度較慢的原子會落在後面——而這些原子是真正被凍住的:它們比絕對零度高出千萬分之一度。冷原子雲中的原子運動速度非常慢：如果它們沿直線運動，而非四處彈跳，那麼以它們的速率要花費整整一個小時才能穿過一個房間。相比之下，你體內的分子可以在短短的一秒鐘內衝過那個房間。

冷原子雲中的原子移動速度比蝸牛還要慢，這個原子雲就是地球上移動最慢的物質。

作者：

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

Katie McCormick, Postdoctoral Scholar of Physics, University of Washington

翻譯：C&C

審校：zhenni

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