极快:速度科学

你可能听说了，英国首个5G网络刚刚开通。随着英国主要城市的覆盖范围不断扩大，它承诺比以往任何时候都更快的速度。但到底是什么让它与之前的电视网不同呢?伊兹·克拉克和凯蒂·海勒和英国5G顾问委员会成员保罗·比斯特尔一起来到演播室，但什么是5G?

保罗- 5G就是第五代移动电话技术。

伊兹-哦，这就是G的意思。其实我从来没想过这个问题。它是什么?它与4G有什么不同?

保罗:这是最新的发展。它将许多技术结合在一起，因此它使用更高的无线电频率，使我们能够通过给定的无线电频道获得更多的信息。它将计算进一步推向网络边缘，这意味着我们可以减少延迟，这样我们就可以以更少的延迟提供服务。它的设计也是为了应对非常非常高密度的简单终端，让我们能够长期连接所有东西。

Izzie -我们看到它在英国城市推出，其他地方也有吗?

Paul -英国是领先的国家之一，但肯定不是第一个。在美国有一些部署，在亚洲有相当多的活动。从技术的角度来看，大多数无线电创新来自中国、日本和韩国，但一些应用正在英国开发，所以我们仍在创新。

伊兹-它能做什么?

保罗:如果我们要考虑数字，我们要考虑比特率，目标是每秒10千兆比特，这意味着你可以在10/15秒内下载一张DVD，在最好的条件下，这样的东西，所以不是所有地方。对我来说，更有趣的是，这意味着延迟，网络上的延迟可以降到只有一毫秒，也就是千分之一秒，这意味着当人类与网络互动时，我们可以在我们正在做的事情上叠加信息。所以你可以做一些事情，比如远程控制机器人实时完成非常微妙和具有挑战性的任务，或者使用增强现实技术给我们的眼睛提供比我们自己看到的更多的信息。

Izzie - 5G怎么能比4G容纳这么多的信息?

保罗:有两个原因。第一个是通过提高无线电频率到无线电频谱的更高部分，有更多的带宽可用，所以我们可以为每个无线电频道使用更多的带宽，这意味着我们可以通过它传输更多的数据。另一件事是，它包含了一种叫做大规模MIMO的技术，它允许我们向个人用户发送波束。目前，如果你在4G的无线基站上，通常你会发现容量是和你在同一条街上的其他人共享的，有了5G，我们可以把无线电能量束指向个人用户。

伊兹-保罗，这一切有什么联系?

保罗:实际上，我们现在拥有的是，我们在手机里有一个无线电，或者在嵌入式设备里有一个终端，比如汽车，它把无线电连接到我们所说的基站，所有版本的移动技术都使用相同的基站架构。然后从那里，它实际上通过光纤或固定网络连接回到我们所谓的核心网络，该核心网络管理安全和计费，并确保一切正常。像国际漫游这样的事情也是这样管理的。因此，与Wi-Fi不同的是，它只是短暂的连接，然后直接连接到互联网，而蜂窝技术背后也有一个完整的网络。

伊兹-哦，哇。与4G相比，5G有什么缺点吗?

保罗:是的。目前，这是一项昂贵的新技术，需要时间来发展。我们看到所有的新技术都是这样，所以我们不会立即得到所有的好处。毫米波频率，我们使用的这些非常高的频率有一些挑战它们不会穿过人体，它们不会穿过墙壁所以实际上，你需要离基站很近才能得到你需要的服务。所以我们谈论的是更小的覆盖区域，更高的性能。

伊兹:你认为你会看到这些基站融入日常生活吗?比如，我们可以在交通灯上安装一个吗?因为我们知道，当我们到处都有它们的时候，它们是如此有用。

保罗:是的，当然。我认为这就是变化，所以我们的网络将从每个运营商在英国拥有2万个基站发展到潜在的100万个。5G将使一些自动驾驶通信成为可能，所以我认为街道设施、交通信号灯、路灯将非常非常重要。

Izzie -你认为它会取代4G吗?这是4G时代的终结吗?

保罗-很长时间没有了。我的iPhone支持2G、3G和4G。2G在这里还没有关闭，在美国是关闭的。所以4G可能最终会终结，但最早不会在2030年之前。

5月29日是物理学世界重要的百年纪念日:1919年的这一天，剑桥天文学家亚瑟·爱丁顿带领团队前往两个大陆拍摄了一些现在我们拥有的最著名的照片。这一结果使科学界陷入了混乱。几百年来一直屹立不倒的牛顿万有引力定律被一位名叫阿尔伯特·爱因斯坦的年轻德国科学家推翻了。为了了解这是怎么发生的，伊兹·克拉克前往剑桥大学天文研究所，拜访了太空科学家卡罗琳·克劳福德。

卡洛琳:万有引力的主要定律当然是牛顿的万有引力定律。牛顿的万有引力定律是牛顿提出的，它非常准确地描述了物体在地球上的运动方式，以及行星如何围绕太阳运行。直到19世纪中期，人们才清楚地认识到，有一件事它没有完全解释清楚，那就是水星绕太阳运行的轨道。但爱因斯坦是第一个能解释牛顿所能解释的一切的人——我们在太空和地球上看到的一切——但他也能证明水星发生了什么，因为太阳附近的时空有额外的曲率。

伊兹-时空的概念是爱因斯坦理论的核心:空间和时间可以被视为一个实体。我知道，你很难理解，但请耐心听我说。说你要去商店。你可以说他们10分钟就到，或者同样几公里远。你可以用距离和时间来描述那段旅程，因为你知道你走得有多快。时空也有类似的情况:空间和时间都是可以互换的，因为你知道光速，而光速在任何地方都是一样的。爱因斯坦接着说，与牛顿不同的是，这个时空可以被像我们的太阳这样的大质量物体扭曲——它们会弯曲空间的形状，这就是爱因斯坦引力理论的关键区别。

卡洛琳-光喜欢走直线。但如果你有来自遥远恒星的光，一条光线，它只是擦过太阳的表面——因为太阳是离我们最近的大质量物体——它只会使光线偏转一点，导致恒星的表面位置发生微小的移动，但它太小了，实际上是无法观察到的。不同之处在于，爱因斯坦做了一个预测，当你考虑到空间的曲率时，你实际上会将这种偏转的量增加一倍，这将使它进入可观测的领域;它也提供了一个很好的区别牛顿和爱因斯坦的说法，如果你能测量这个偏转。

Izzie -但是如果你自己的巨大火球，也就是我们的太阳，挡在路上，你怎么能测量来自遥远物体的光的偏转呢?要把这两个光源的光区别开来是不可能的。有人提出，可以在月食期间拍摄遥远星系的照片，因为月球阻挡了来自太阳的光线。

卡罗琳:所以进行这种测量并不是一个新想法，但令人兴奋的是，1919年5月29日发生了一次特别好的日食。这很好，因为它的持续时间很长，大约六分钟左右，这给了你足够的时间来拍照。而且，非常不寻常的是，太阳正好在附近一个非常明亮的星团的前面——它被称为Hyadas，位于金牛座——这意味着在日食期间，太阳将位于一个被相当明亮的恒星包围的区域，这将使观测成为可能。亚瑟·爱丁顿，他当时是剑桥天文台的主任，他是少数几个完全理解爱因斯坦理论的人之一。是亚瑟·爱丁顿，特别是弗兰克·戴森，他当时是皇家天文学家，他意识到这是一次特别重要的日食。他们决定做两次探险。其中一个是由皇家格林威治天文台的安德鲁·克罗默林带领的，他把设备带到巴西北部的索布拉尔，他们将捕捉到日食的开始。然后这条路径会穿过大西洋另一边是亚瑟·爱丁顿爵士和他的小团队他们会在西非海岸外的一个岛上做同样的观察。他们在两个地点进行同样的实验，当然，两个地点的理想情况是，你永远不会完全确定天气;事实上，两次探险都有问题。 In Principe, off the west coast of Africa, Eddington had terrible weather; and so they took plenty of images, but in most of them there’s too much cloud in the way. And in Sobral, in Brazil, they had problems with the equipment - there was vibrations, which just ended up blurring some of the images. And in fact the really important data from Brazil were from a sort of backup telescope they'd just taken as a spare. But the true and precise measurements don't happen until they come back to the UK, and then the results are announced in November in 1919 at a very special occasion at the Royal Society in London.

伊兹-他们发现了什么?

卡罗琳——他们发现，他们的结果证实了爱因斯坦在他的引力理论下的预测，而不是牛顿的预测。

伊兹:那项发现有多重要，对物理学领域有什么影响?

卡罗琳:嗯，它彻底改变了物理学。我的意思是，当时它非常重要，因为很少有人真正注意到爱因斯坦的理论，光的整个曲率的想法是一个概念上的飞跃。而且，说实话，对于很多科学家来说——我们在笔记和信件中都有这一点——他们不愿意使用更复杂的理论。你知道，如果牛顿定律足够好，为什么不用它呢?但关键是，一旦这一声明被宣布，爱因斯坦的相对论就被证明是对地球和太空中发生的事情的更好描述——从那一刻起，爱因斯坦就成了名人天才。

伊兹-于是爱因斯坦的广义相对论被接受了:我们所认为的引力实际上是由时空的曲率产生的。

卡罗琳-相对论是我们对物理学的一般理解的一部分，所以它对我们如何使用物理学至关重要。在地球上可能没有太大区别，因为牛顿定律已经足够好了。它在更极端的情况下变得重要——所以人们每天可能遇到的最接近地球的东西当然是你的GPS卫星。如果你不考虑相对论修正，因为它们在一个缩小的重力场中运动——而且比地球表面运动得更快——它们就会开始给出不准确的结果。不出几分钟，他们每天就能走10公里。这是人们可能会感同身受的直接结果。尽管如此，我还是要说，这对天文学家来说非常重要，因为相对论给出了唯一一个很好的描述，当你有非常大的质量时，会发生什么——当然，在天文学中，你会涉及到尽可能大的质量。

许多危险的动物都有速度优势，在捕捉猎物或保卫自己的领地时，它们一刻也不能浪费。还有什么比制造一些快速作用的毒液或毒药更好的方法来在动物王国中生存呢?来自肯特大学的史蒂文·阿兰是英国爬行动物学会的成员，他和凯蒂·海勒一起来到了演播室。

史蒂文:好的。爬虫学家是研究爬行动物和两栖动物的人。这个词起源于希腊语。词根是herpetós，本质上它的意思是蠕动。

凯蒂-好的。所以我们说的是爬行动物和两栖动物?

史蒂文-爬行动物和两栖动物;蛇，青蛙，蜥蜴，诸如此类的动物。

凯蒂:在我们进入这个话题之前，你能解释一下毒药和毒液的区别吗?

史蒂文:当然可以。这是一个我经常被问到的问题，主要的区别是，毒液需要被摄入，或者它也可以通过皮肤被摄入，毒液有一个传递机制，比如毒刺、倒钩或毒牙。

凯蒂:说到毒药和毒液，那么有哪些最快的——这是一个关于极限速度的节目——最快、最毒、最毒的动物?

史蒂文:其中最快的是像箱形水母这样的动物，它的毒液在被蜇后2到5分钟内就会起作用，尽管并不总是这样，但这会导致心血管衰竭而死亡。镖蛙身上也有一种非常强烈的毒素，这种毒素也会在几分钟内起作用。

凯蒂:那么在这两种情况下，猎物的身体以及制造麻烦的人的身体中都发生了什么呢?

史蒂文:在被毒死的猎物、人或动物的身体里，主要的变化是它们的神经系统正在关闭。神经元不活动了，或者过度活动了这就会导致心血管系统的问题从而使你的肺和心脏关闭，然后你就不幸地死去了。在捕食者或毒虫中，它们在专门的细胞或腺体中产生毒素。以箭蛙为例，它们通过饮食来吸收毒素，所以当你把它们从自然环境中带走——把它们当作宠物——它们就不再有毒了，因为它们不再有专门的甲虫或蚂蚁来获取这些毒素。

凯蒂-我们提到了箱形水母。我想它可能生活在海里，对吧?我们在说什么?

史蒂文:是的。它生活在澳大利亚周围的海洋中，尽管它们非常危险，但很少有人被箱形水母蜇伤致死，因为a)人们会避开它们，b)因为如果它们真的发生了，有相对快速的应急行动计划来处理它们。

凯蒂:有一种动物，我想，可能是刻板印象，或者当人们想到毒药时，他们想到的是蛇。那么蛇毒害人类的速度有多快呢?

史蒂文:说到蛇毒，它的反应非常快。黑曼巴毒液大约需要半个小时才能起作用，之后你就完蛋了，除非你立即寻求医疗救助。同样，它是一种神经毒素，所以它作用于神经系统，尽管其他蛇的毒液可以分解血液或形成血栓，这有不同的影响，但范围更广，也需要更长的时间来完成，而不是关闭你的神经。

凯蒂:我们在节目中谈论的是极限速度，我猜是毒液或毒药起作用的速度，但也有造成伤害的速度，对吧，那么蛇的行动有多快呢?

史蒂文:在这方面已经做了很多研究，不管你是毒蛇还是无毒的蛇，所有的蛇似乎都以相同的速度攻击。从这个角度来看，响尾蛇的速度是每秒2.9米，也就是每小时6.5英里。这听起来并不多，只是比快步走快，但在一个封闭的空间里，这是相当快的。这意味着在攻击区，一条蛇可以在75毫秒内攻击你，一个人眨眼需要200毫秒，所以它们可以在你眨眼的时间内攻击你近3次。

凯蒂:那为什么蛇需要a)这么多毒液，b)能这么快把毒液吸进人体内?有什么意义?

史蒂文:你得想想，很多物种都以快速移动的猎物为食，尤其是非常小的猎物，毒液的数量和攻击速度都已经进化到能够立即使猎物动弹不得，或者非常快，这样猎物就不会在离蛇几百米远的地方游荡而死。所以它可以得到它的食物，然后消失在灌木丛中，远离被捕食的风险或暴露在自然环境中。

凯蒂:我们正在谈论的是非常极端的事情，那么生存的机会有多大?例如，对于人类来说，如果你处于这种非常不幸的情况下，你会怎么做?

史蒂文:如果你真的被蛇咬伤了，你被毒蛇咬伤了，你必须立即寻求医疗救助，而且你要确定是哪种蛇使你中毒了，这也很重要。抗蛇毒血清可以中和许多物种的毒液，特别是在印度等地区，那里有许多剧毒物种。但在其他国家，只有一两个物种的蛇可能会造成伤害，所以你对这一物种有更专门的抗蛇毒血清。

凯蒂:你是如何制作抗蛇毒血清的呢?因为你需要了解毒液的化学和生物学原理。这是否意味着你必须从这只极其危险的动物身上取出一些?

史蒂文:是的。显然，在处理有毒动物时，你必须采取很多安全预防措施。根据你处理的是蛇还是蜘蛛，提取毒液的方法也不同。在制造抗蛇毒血清方面，传统上使用的是羊或马。因为它们很大，你可以在它们体内注入很多毒液，不幸的是，除了缩短寿命之外，这并没有什么负面影响，然后你从血液中提取抗体，把它放入抗毒液中。

凯蒂-最后，我们离“包罗万象”的抗蛇毒血清还有多远呢?有没有可能制造出一种东西，可以给那些有某种特殊毒液或毒药的人?

史蒂文:目前这是不可能的。尽管此时此刻，世界卫生组织正在为这一问题投入资金。他们刚刚宣布，全球蛇咬伤是一种被忽视的热带疾病，他们正试图资助一种通用的抗蛇毒血清，适用于世界上任何种类的蛇，通过使用艾滋病毒抗体技术来治疗这种疾病。目前它仍处于起步阶段，但它确实显示出未来的一些希望。

凯蒂-所以我们应该盯着这个地方?

史蒂文:是的，我们绝对应该关注这个空间。

我们已经讨论过人类、动物和汽车，但当涉及到极限速度时，有一种东西摘得桂冠;光。光是宇宙中最快的东西，但我们怎么知道呢?当我们达到这么高的速度时会发生什么?剑桥大学天文研究所的马特·博思韦尔与伊兹·克拉克和凯蒂·海勒一起采访。光速到底有多快?

答:非常快。这个数字是299,792,458米每秒。

凯蒂-你得给我解释一下。

马特:是的，当然。这个数字太大了，没有任何意义，对吧?它是如此之快，你可以在一秒钟内到达月球，你可以在大约8分钟内到达太阳，即使那是1.5亿英里远。

凯蒂-对。当我在思考这个问题的时候，我们怎么知道光速就是你刚才引用的那个数字呢?

马特-对。所以历史上有很多人尝试测量光速。伽利略试图通过在山坡上点亮灯笼并计时来做到这一点，但正如我们现在所知，显然，光速太快了，这种方法很难奏效。第一个尝试测量光速的人是一位名叫罗默的丹麦天文学家。他在观测木卫一，木卫一是木星的卫星，我们可以看到木卫一绕木星运行，当它在木星后面运行时，就是日食。他注意到，当太阳系的构造是地球向木星移动时，日食似乎比我们远离木星时发生得更频繁，这只有在光有有限速度的情况下才会发生，如果你愿意，当我们向木星移动时，我们正在追赶信号。

凯蒂:所以至关重要的是，光传播的距离会随着地球的位置而变化?

马特:没错。这需要更多或更少的时间取决于哪个方向。

凯蒂-他在回答问题方面做得怎么样?

马特:作为一个历史实验，他得到了非常接近实际答案的答案。

凯蒂:最重要的是，光速是恒定的，对吧?

马特-没错。这其实是一件很奇怪的事情。它和我们期望的速度不一样。想象一下，如果你以每小时50英里的速度扔一个网球，如果你站在一辆以每小时50英里的速度行驶的火车上扔同样的网球，网球的速度将是50+50,100英里每小时因为速度加在一起。光速不是这样的。光速约为每秒30万公里。如果你站在火车上，在你面前照一支火炬，那束光仍然以每秒30万公里的速度传播。不是光速加上火车的速度。不管你怎么测量，光速总是一样的。

凯蒂-所以我们进入了相对运动的领域和光的运动是不同的吗?

马特:对，没错。为了使光速在每一个参考系中都是恒定的，空间和时间本身需要扭曲来保持这一点。基本上这就是人们可能听说过的时间膨胀和长度收缩。

凯蒂-哦，我的天啊。你说的参考系，是指从时间，空间，宇宙中的任何一点出发吗?

马特-没错。如果我坐在卧室里测量光速，我就会得到课本上的数值。如果我乘火箭以惊人的速度飞向恒星，我测量光速，我也会得到同样的结果。

凯蒂:所以你谈到了时间膨胀，是不是因为光速是恒定的，所以为了达到一定的距离，时间必须改变来补偿?这就是我们要讨论的吗?

马特:没错。它的工作原理是，如果一个物体运动得非常非常快，那么外部观察者会认为这个物体的时间运动得更慢。所以，如果你拿一个时钟，然后你把它以惊人的速度扔出去，然后你看着时钟，它会看起来跑得很慢，这听起来很理论化，但这是我们实际做过的实验。我们把原子钟放在大型喷气式飞机上，在世界各地飞行，而在世界各地飞行的时钟最终比放在地上的时钟慢。

凯蒂-哇!所以这不仅仅是我对时间的感知?

马特-是的，这不是一件感知到的事情。时间真的过得慢了。

凯蒂:除了以光速传播的光，还有什么东西能传播得这么快吗?

马特-是的。有一些东西以这样的速度运动，所以我们称之为光速——它实际上比光速更一般，它只是宇宙的最大速度。任何没有质量的东西，任何没有质量的粒子，都会以这个速度运动。最著名的是光子，对吧。它们是光的粒子，它们没有质量，所以它们以光速运动。但是还有其他的粒子，比如胶子，它们是把质子粘在一起的小粒子，它们也是我们所说的无质量粒子，所以它们以光速运动。重力以光速传播。是的，所以它不仅仅局限于光本身。

Izzie -没有质量的物体以光速运动为什么质量关系如此重要?

马特:宇宙中任何有质量的东西，比如人、恒星、球，或者任何东西，都需要能量来移动。如果你想移动一个人，推他一把是需要能量的。所以任何有质量的物体，运动速度越快，消耗的能量就越多。然后让任何有质量的物体以光速运动需要无限的能量，但是任何零质量的物体都会自动以光速运动。

伊兹-啊，我明白了。

凯蒂-回到地球上，有没有什么应用程序可以让我们了解光速，我们可能每天都在使用?

马特:肯定有应用。我们用光速来定义一米的长度。在过去，米有各种不同的定义，包括地球的大小，他们有一个自然的物理对象，那就是米。现在，我们用光速来定义米，所以我之前给出的光速的数字是精确的，没有不确定性，因为我们就是这样定义米的。

在地球上，我们必须以各种方式应对光速。通常这是一个变通的障碍;例如，当你在设计计算机芯片时，光速是信号传播速度的极限，他们必须相应地设计芯片。即使在遥远的领域，比如金融，光速也很重要。因此，随着高频交易以每秒惊人的次数卖出股票，价格信息只能以光速从伦敦和纽约等地发送出去，不能再快了。因此，从事这种高频交易的公司会希望尽可能靠近交易中心，这样光速就能尽快到达，从而缩短关键的几毫秒。

凯蒂-啊，所以地理上越近越好。毫秒真的有区别吗，毫秒?

马特-是的。你可能不会这么想，但是，是的，超级计算机在股市上运行算法，毫秒是很重要的。