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光傳播得很快。實(shí)際上，光是已知的傳播速度最快的東西，物理學(xué)中有一個(gè)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(diǎn)，也可以在不到一眨眼的時(shí)間里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(guān)。

我們能制造出以1 %光速運(yùn)行的物體嗎？

盡管1 %這一數(shù)量聽起來不多，但對于光速而言，它的1 %仍然是非?？斓摹蠹s每小時(shí)移動(dòng)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(diǎn)，這要比商用飛機(jī)快一萬多倍。

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

人類制造過的最快的東西

子彈的時(shí)速可達(dá)4200 公里/小時(shí)，超過音速的三倍。最快的飛機(jī)是NASA的X3噴氣式飛機(jī)，最高時(shí)速可達(dá)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。它們利用火箭來擺脫地球引力，速度能達(dá)到每小時(shí)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(fā)射升空后，它掠過太陽灼熱的大氣層，利用太陽引力達(dá)到了53.5 萬公里的時(shí)速。這是非?？斓乃俣取仓挥泄馑俚?.05 %。

為什么1 %的光速都很難達(dá)到？

是什么阻礙了人類達(dá)到光速的1 %？簡單而言，就是能量。物體會(huì)因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)而具有相應(yīng)的能量，物理學(xué)家稱之為動(dòng)能。為了跑得更快，你需要增加動(dòng)能。問題就在于，想要把速度提升到很高，就需要大量的動(dòng)能。讓某物以兩倍的速度運(yùn)行需要四倍的能量，讓它以三倍的速度運(yùn)行則需要九倍的能量，以此類推。

例如，要讓一個(gè)體重50 公斤的青年達(dá)到光速的1 %需要提供200 萬億焦耳(一種能量計(jì)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(gè)薄而閃亮的方形可以推動(dòng)宇宙飛船達(dá)到光速的10 %。Andrzej Mirecki via Wikimedia Commons, CC BY-SA

我們能移動(dòng)得多快?

達(dá)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(dòng)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(dòng)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(qū)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(dòng)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(xué)燃料在能量利用方面更加高效。

科學(xué)家們正在研究許多其他的高速度運(yùn)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(yùn)動(dòng)的一種有希望的方法是使用太陽帆——附著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(fēng)一樣推動(dòng)它們。一些航天器已經(jīng)使用過太陽帆來證明其可行性，科學(xué)家們認(rèn)為太陽帆可以推動(dòng)航天器達(dá)到光速的10 %。

有一天，當(dāng)人類的速度不再局限于光速的一小部分時(shí)，我們可能會(huì)去其他星球旅行。

世界上最慢的速度也與光相關(guān)？

激光器將一束狹窄、定向的光束聚焦在一個(gè)特定的點(diǎn)上，使其成為切割、燃燒、焊接的重要工具。這些活動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生或需要熱量。激光束以光速傳播，每小時(shí)超過6.7 億英里，速度達(dá)到了宇宙最快。

那么，激光是如何產(chǎn)生地球上最慢的物體的呢?

首先，關(guān)鍵點(diǎn)在于理解物體的溫度和速度之間的關(guān)系。物體的溫度越高，它的能量就越多，運(yùn)動(dòng)速度也就越快。盡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(shí)并非如此。在微觀層面上，構(gòu)成它們的粒子在不停地高速運(yùn)動(dòng)，生命體同樣如此。

讓我們以著名的慢速動(dòng)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(huì)看到這些分子的行為就像孩子們在彈跳屋里一樣跳來跳去。為什么會(huì)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(shí)數(shù)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溫度下的行為感興趣的物理學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中使用明亮、高強(qiáng)度的激光來冷卻物體，這可能會(huì)讓人感到驚訝。這是一個(gè)量子力學(xué)統(tǒng)治的奇異世界。不論你相信與否，在這個(gè)研究領(lǐng)域，粒子有時(shí)表現(xiàn)得像海洋中的波浪，有時(shí)又在同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)不同的地方。

為了研究這種新奇的行為，物理學(xué)家用激光制造了地球上最冷的原子云，稱為玻色-愛因斯坦凝聚體。將一堆原子冷卻，當(dāng)溫度逼近絕對零度時(shí)，原子行為就會(huì)開始遵循量子力學(xué)并以令人驚訝的方式運(yùn)動(dòng)。

研究超冷原子云也許能夠?yàn)檠芯砍瑢?dǎo)體等其他奇怪材料的工作原理提供線索。超導(dǎo)體比現(xiàn)有材料能更好地傳輸電力，也許有朝一日會(huì)被用于建造超高速列車。

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

創(chuàng)造地球上最慢的東西

那么，激光究竟是如何冷卻一堆原子的呢？在實(shí)驗(yàn)室里，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(gè)1 英尺寬的腔體里。在激光束照射幾秒鐘后，它們就會(huì)冷卻、減速并被束縛在腔室中央。

這是怎么發(fā)生的？

包括激光在內(nèi)的所有光都是由光子組成的，光子是不斷移動(dòng)的能量包。當(dāng)我們將激光射入室內(nèi)時(shí)，原子與光束中的光子流碰撞，速度變慢，溫度降低——就像你在強(qiáng)風(fēng)中快速奔跑時(shí)遇到的情況一樣。

這些微小的碰撞將原子云的溫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云成為地球上最慢的物質(zhì)。還需要最后一步來讓其變得更冷一點(diǎn)，物理學(xué)家稱之為“蒸發(fā)冷卻”技術(shù)。

首先，我們捕獲所有的原子，有時(shí)利用通電線圈產(chǎn)生的磁場形成一個(gè)能夠容納原子卻不可見的“井”:就像彈珠聚集到碗底部一樣。隨后，通過減小穿過導(dǎo)線的電流來降低這個(gè)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(huì)落在后面——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。冷原子云中的原子運(yùn)動(dòng)速度非常慢：如果它們沿直線運(yùn)動(dòng)，而非四處彈跳，那么以它們的速率要花費(fèi)整整一個(gè)小時(shí)才能穿過一個(gè)房間。相比之下，你體內(nèi)的分子可以在短短的一秒鐘內(nèi)沖過那個(gè)房間。

冷原子云中的原子移動(dòng)速度比蝸牛還要慢，這個(gè)原子云就是地球上移動(dòng)最慢的物質(zhì)。

作者：

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

Katie McCormick, Postdoctoral Scholar of Physics, University of Washington

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