## 硬科技报告 | 什么是时间放大镜？

你好，这里是《邵恒头条》，我是邵恒。

今天我想跟你分享的材料，是刚刚出炉的《硬科技报告》。

在这一期报告里，彭老师分享了两项跟速度有关的科技进展。

一个是世界上最快的高速摄像系统，这个系统快到能捕捉光的轨迹，是名副其实的黑科技，而这种黑科技的发明，也意味着我们人类对于世界的观察能力，又上了一个台阶。

另一项进展是，科学家用一种巧妙的方法，测算出了声音传播的最快速度。这背后体现的，是一种很有美感的科学思维方式。

接下来，我们来听听彭天放老师的解读。

你好，我是彭天放，欢迎来到11月的《硬科技报告》。

在过去的一个月里，我为你梳理出两项值得关注的硬科技进展：

1. 美国加州理工学院研发出超快速3D照相机

我为你推荐的第一项进展是一个我们很熟悉，但是可能平时不太重视的黑科技，那就是高速摄像技术。今天很多手机用每秒几百帧的速度拍摄慢动作视频的功能，就属于这类技术。但是不知道你有没有好奇过，世界上最快的高速摄像，能拍摄到什么呢？

10月16号，加州理工学院汪立宏院士的研究团队在《自然通讯》杂志上发表了最新的成果，研究人员开发出了一种摄像系统，能清晰地捕捉这个宇宙中运动最快的物质——光。这个拍摄速度可以达到每秒钟可以拍摄一千亿帧。

每秒钟一千亿帧是什么概念呢？如果我们用这种摄像机拍摄光，再用正常视频每秒24帧的速度播放出来，你会发现光传播的速度看起来会变成只有大约每秒钟7厘米，跟我们打太极拳的时候的运动速度差不多。

我在文稿区放了一张研究人员用这套设备拍摄的视频截图，图片中是一束正在穿过一瓶矿泉水的紫色激光。你会发现，即便是我们这个宇宙中运动速度的上限，也会被这种超高速相机清晰地捕捉成慢动作，真的可以说是“天下武功，唯快不破”。

![图片](https://piccdn3.umiwi.com/img/202011/12/202011122316184099345776.png)

那这种动不动每秒钟拍摄1000亿帧的照相技术有什么用呢？——诶，这个就要从人类的视觉对世界的感知能力说起了。

我们知道，在我们人类接触到的信息中，有超过90%是来自于视觉的。但是人的肉眼作为一种光学系统，在两个重要的性能指标上都是有局限性的。这两个指标分别是空间分辨率和时间分辨率。

其中空间分辨率很好理解，我们人眼能够分辨最小的空间尺度大概是0.1毫米，跟A4纸的厚度差不多。小于这个尺度的物体，我们肉眼就很难观察到了。为了突破人类视觉在空间分辨率上的极限，我们发明了各种类型的显微镜。比如原子力显微镜，空间分辨率可以达到0.01纳米，比氢原子的直径还要小，大概是人眼的1000万倍。

而人眼的时间分辨率，其实是一个我们平时不太关注的性能指标，它的数值大概是1/24秒。也就是说，由于视觉暂留效应，在1/24秒内发生的图像变化，我们肉眼是很难分辨的。但这种时间的分辨率，对于今天很多重要的技术研究是非常宝贵的，因为很多物理、化学甚至是生物的过程，都发生在非常短的时间里，通常描述这些过程的时间计量单位经常是纳秒，甚至是飞秒（也就是1/10000亿秒）。

比如，在脑科学研究中，人脑的神经元细胞被电信号点亮的过程；植物在光合作用的时候，阳光和叶绿体接触的瞬间过程；核反应中，两个原子相互结合释放能量的过程等等。对于这些过程的研究，如果我们能够获得直接的高速摄像视频作为实验数据，很可能能够大大地加深我们对于人工智能、太阳能电池技术、核物理技术等等领域的理解，促进这些技术的进步。

所以，我们人类就需要一种视觉在时间这个维度上的放大镜。这也就是各种高速摄像技术的本质。

目前，世界上高速摄像的速度纪录，是由这项研究中汪院士所带领的团队在今年4月发表的一篇研究中创下的。这个速度是惊人的700000亿帧每秒，是肉眼时间分辨率的30000亿倍。从这个角度来说，今天人类放大时间的能力，其实比放大空间的能力更强。

听到这你可能注意到了，不是今年4月份的时候人类就已经能实现70000亿帧每秒的拍摄能力了吗？为什么这一次发表的研究结果，只有每秒钟1000亿帧，反而减少了呢？其实，在本月发表的这项研究中，研究人员虽然只实现了1000亿帧的拍摄速度，但是却给这种超高速摄像技术加入了一个新的功能，也就是可以实现某种程度上的3D摄像效果。

这种所谓3D摄像效果，具体来说就是通过光路的设计，把两束光同时进入拍摄系统，让摄像机拥有了类似人眼的双目视觉功能，从而可以记录光在空间中的时间和位置，还可以分辨出光在空间中的振动方向。这对于全面地描述光线实际经历的物理过程，是非常重要的。

听到这里有些同学可能会好奇了，这动不动就每秒钟成千上万亿帧的拍摄，究竟是怎么拍出来的？跟我们平常相机里面的连拍功能有什么区别吗？

其实，这套摄像系统的核心，是一种黑科技设备，叫“条纹相机”，这种相机是专门用来进行超高速图像拍摄的。之所以它能够拍摄出每秒钟上千亿帧的视频，是因为条纹相机的拍摄原理，跟今天常见的数码相机不太一样。

简单来说，我们今天像是单反相机、手机这类产品，都是每一次只能拍摄某一个时刻的图像信息。而条纹相机，是一次能记录一段时间内发生的全部事情，从而起到了把时间拉长放大的效果。

这个效果，其实跟我们常用的延时摄影技术有点像。——你可能之前见过用延时摄影技术拍摄的星空，星星变成了一条一条的。如果想找到凌晨4:00星星的图像，其实只需要找到所有条纹在比如45度角所对应的亮点就可以了。

条纹相机大致也是这个原理，不同时间穿过镜头的光信号，会在光电传感器上留下一道一道的条纹，原来转瞬即逝的时间信息就被定格在了条纹图像的位置里面。经过这样一处理，条纹相机的时间分辨率就大大提高了。

不过，条纹相机的原理解释起来虽然容易，但是在实际操作过程中其实是非常复杂的。事实上，全世界只有日本等等少数国家，掌握了条纹相机这项技术，我们国家也是直到2018年，才首次研制出了自己生产的条纹相机。可以说，条纹相机几乎代表了人类目前光电成像技术的最高水平，是一项不折不扣的黑科技。

在历史上我们经常会发现，很多人类重要的科学和技术进步，往往得益于人类对于世界观察能力的提升。这也是本月我为你推荐这项技术进展的原因。

2. 物理学家首次计算出声波传播速度的极限

我为你推荐的第二项硬科技进展，没有太多实用价值，但是却非常能引发我们的思考，它关于我们这个世界的一个隐藏的速度极限。

我们都知道，光在不同介质传播的速度是不一样的，而这个速度的极限是光在真空中传播的速度，大概是每秒30万千米。但是不知道你有没有想过，声音传播的速度有没有类似光速这样一个极限呢？——这样一个看起来非常基础的物理问题，在过去居然一直没有很好的答案。

直到10月9号，几位来自英国和俄罗斯的物理学家在《科学进展》杂志上，发表了一项研究。他们可能是第一次，提出了在我们这个宇宙里，声音可能拥有的最快速度——这个速度大约是36公里每秒，比声音在空气中340米每秒的传播速度快了100多倍。

这是怎么计算出来的呢？

诶，这就是我今天想跟你说的重点了。我之所以给你推荐这项研究成果，正是因为背后的思想过程非常简洁，甚至可以说很有美感。这篇论文的长度总共只有5页，而且还给出了两种推导方法，其中用到的物理知识，基础好一点的理工科大学生，花一些时间可能都能看懂。

不过说这项研究之前，我们不妨先退一步。如果是我们自己遇到了“声速的极限是多少”这个问题，会怎么处理呢？我想，大部分人可能会先考虑一些具体条件，比如我们知道传播速度会受到介质材料和结构的影响。介质是固态、液态还是气态？如果固态，是晶体还是非晶体？这些因素都会影响到速度。所以我们普通人，可能会先从介质的材料和结构入手。

可是从这个角度切入，这个问题就太难找到解决方案了，因为有无数种可能性，总不能一个一个去试吧？

但是这几位英国和俄罗斯的物理学家，却不是这么想的。他们直接忽略掉了关于介质的这些细节，而是回归到了声音传播这个现象的本质。

声音传播现象的本质是什么呢？也就是声音不论是在哪传播，它的本质都是周期性的振动作为一种运动形式，在一大堆原子之间相互扩散。

回归到了这个本质之后，我们会发现声音传播的速度其实只取决于两个因素，一个是原子的质量，原子的质量越大，让它震动起来就越困难，声音传播的速度也就越慢；另一个因素是原子之间相互作用的强度，相互作用的强度越大，振动传递到下一个原子就越容易，声音传播的速度就越快。

也就是说，要想找到声音传播的最大速度，我们只需要找到一个条件，在这个条件下，原子的相对质量最小，且原子之间的作用力最强。这么一来，声音的传播速度就达到最大了。

记住啊， 一个是质量，一个是作用力。

这两个本质性的因素，就是这项研究中科学家思考的出发点。但是，光这样定性的描述，只能提供一个思路。科学家们接下来做的，是找到了这两个决定性因素对应的数学公式。

非常巧的是，原子之间用来传播声音振动的作用力，主要是电磁力，这恰好对应着物理学当中一个非常基础的常数，叫做精细结构常数，这个数字的大小大约是1/137，是一个基本上不会发生变化的量。

——也就是说，影响声速的条件，在这个视角下事实上就剩下了一个，就是原子质量。原子质量越小，理论上声速的极限就越大。那质量最轻的是什么呢？就是只有一个质子构成的氢原子。

基于这层理解，进行这项研究的科学家得出一个重要的公式：声音传播的速度=电子和原子核质量相除之后的平方根，乘以精细结构常数，再乘以光速。

![图片](https://piccdn3.umiwi.com/img/202011/12/202011122316281483383878.png)

这个公式你不用记啊。你只需要知道，在这个公式里，我们带入氢原子的数据，就能推导出在我们这个宇宙中，声音传播最大速度了，也就是我们一开始提到的36千米每秒。

——不过注意啊，科学家们表示，这个速度在地球上是很难出现的。因为氢元素在地球上主要以气态的形式存在。要想达到论文中预测的声波速度，研究人员推测需要氢元素以固态形式存在，比如木星内部，就可能在巨大的压力之下存在金属状态的氢。

听到这里你可能会说了，科学家推导了这么半天，最后来一句在木星，才有声音的最大速度。那我们怎么知道，他们这个公式算得到底对不对呢？难道我们还得飞一趟木星去做测试？

别着急。其实，这个公式不仅能够推导出宇宙中的最大声音速度。它还可以用来推导，声音在地球上各种介质中传播的速度，比如在碳、铝、铁当中的传播速度。这些数据，我们都可以很容易地通过实验，实际测量出来。

进行这项研究的科学家，把地球上36种常见的物质中的声速，和这个公式的预测出的声速进行了对比，发现结果吻合得相当不错。这样的结果恰恰说明了，这个公式，并不是科学家的思想游戏，而是确实能在现实中找到实验依据的。

![图片](https://piccdn3.umiwi.com/img/202011/12/202011122316352647647195.png)

通过这项进展，我们可以看出科学研究在很多时候是要抛弃大量实际的细节，抽象出关于这个世界本质的特征进行研究的。这篇短短的只有5页的论文，不禁让我想到，即便在科技已经发展到如此复杂的今天，当我们回归到问题的本质，依然会发现世界上存在着一些非常简洁而优美的洞察。

这也是我在本月为你推荐这项没有什么实用价值的研究的原因。不知道在你的生活中，有没有类似这篇研究的物理学家一样，抛开细节而发现问题本质的时刻呢？

本月的《硬科技报告》就到这里，我们下一期再见！

好，《硬科技报告》听完了，我是邵恒。

我知道，每个月才能听到一次《硬科技报告》，每次只有15分钟，有点不过瘾。

如果你心里还痒痒，推荐你做两件事，一个是去关注彭天放老师的城邦，彭老师会在他的城邦里，分享关于这些科学进展背后的更多技术细节。

另一件事，就是去看看，我们最近上新的年度日更专栏《卓克-科技参考》。如果你是个科技迷，卓老板会第一时间给你解读那些当下被热议的科技新动态。

好了，这就是今天的《邵恒头条》。我是邵恒。我们明天见。

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