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人類能把粒子加速到多快?

中國科普博覽
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天下武功,唯快不破!宇宙中最快的速度是什么?我相信很多人都知道,是光速(此處只考慮物質(zhì)的速度,而不考慮諸如宇宙膨脹速度等)!大約30萬公里每秒!以這個速度,一束光每秒能繞地球赤道七圈半!坐地日行600億公里?。∧堑诙斓乃俣仁鞘裁??正所謂文無第一,武無第二,物體的速度只有第一快,沒有第二快!

不過,為了研究宇宙的起源、物質(zhì)的構成,人類建造了粒子加速器和粒子對撞機,把極小的粒子加速到非??斓乃俣龋咏馑?,然后讓它們迎頭相撞,粒子分崩離析,飛向四面八方。收集這些四散而逃的粒子,分析它們的行為,就可以反推出對撞粒子的性質(zhì)了。

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LHC粒子對撞示意圖,根據(jù)真實對撞數(shù)據(jù)重建

來源:https://home.cern/news/news/accelerators/lhc-experiments-join-forces-zoom-higgs-boson)

那我們能把粒子加速到多快呢?能達到光速嗎?很遺憾,這是不能的,這是被大自然所禁止的!一個粒子的能量與速度的關系為:

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m是粒子的靜質(zhì)量,c是光速,v是粒子的速度,可以看到,如果一個靜質(zhì)量不為零的粒子,如電子、質(zhì)子、原子核等等,速度達到了光速,那么它的能量也就會無窮大,這顯然是不可能的。當然,雖然不能達到光速,但是可以不斷接近光速,只要能提供足夠的能量,那么粒子的速度就可以足夠接近光速。

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粒子能量與速度(與光速之比)的關系 作者自繪

目前世界上最大的粒子對撞機,是位于歐洲核子中心的,大型強子對撞機(LHC),它加速的是質(zhì)子,也就是氫原子核。能多快呢?最快能達到光速的99.9999991%,跟光速已經(jīng)非常接近了!

那加速電子呢?位于美國斯坦福的直線加速器(SLAC),能把電子加速到光速的99. 999999995%。雖然這個速度比上文中提到的質(zhì)子快多了,但其實加速電子比加速質(zhì)子更容易,因為電子的質(zhì)量更小,相比之下僅有質(zhì)子質(zhì)量的1800分之一。根據(jù)上面能量的公式,相同的能量下,靜質(zhì)量越大,那么速度就越小。

除了電子和質(zhì)子,還有一種加速器,加速的是各種原子的原子核,原子核可比單純的一個質(zhì)子或者電子重多了,比如說,位于美國布魯克海文國家實驗室的相對論性重離子對撞機(RHIC),就能把金元素的原子核加速到光速的99.995%,雖然不及上述質(zhì)子和電子的速度,但也已經(jīng)非??炝?。原則上來說,所有的原子核都可以被加速到接近光速的地步,但根據(jù)其質(zhì)量大小,速度自然也快慢不一。

在加速這些粒子之后,自然會令它們對撞,那么兩個原子核是以什么姿態(tài)對撞呢?這樣嗎:

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圖片來源:https://sciencesprings.wordpress.com/tag/eic-electron-ion-collider-in-development/

顯然不是,而是這樣的:

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相對論性重離子對撞模擬圖

圖片來源:https://madai.phy.duke.edu/indexaae2.html?page_id=503

出現(xiàn)這種情況是因為原子核是有一定體積的,而速度接近光速,那么在速度方向就會出現(xiàn)尺縮效應,一個球狀的粒子就變成一個薄餅了!

不過這并不是極限,更大更長的加速器,往往意味著更高的能量和更快的速度。很多人可能預想未來的環(huán)地球、環(huán)太陽系、甚至環(huán)銀河系加速器,目前這些都還停留在科幻中,我們看看目前在規(guī)劃或者已經(jīng)在建的加速器和對撞機。

國際直線對撞機(ILC),加速對撞的粒子是正負電子:正負電子分別通過一個11公里左右的直線加速器加速的(而不是環(huán)形的),預計能把電子加速到 250GeV,而速度則達到了光速的 99.99999999979%,小數(shù)點后一共11個9!比上面提到的SLAC還高!一旦建成,將成為有史以來最強的電子加速器和對撞機。

最近幾年,中國也在推一個環(huán)形正負電子對撞機(CEPC),這是環(huán)形的加速器,目標能量125GeV,電子速度為光速的99.99999999916%,也是11個9!除此之外,按照計劃,如果一切順利的話,CEPC后期可能會升級成一個超級質(zhì)子-質(zhì)子對撞機(SppC),其中的二期工程預期期望把質(zhì)子加速到75TeV,比目前LHC的7TeV高了不少,屆時質(zhì)子的速度能到光速的99.999999992%,有10個9,這速度,確實夠快了!

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CEPC設計概念圖

圖片來源:https://new.qq.com/omn/20191210/20191210A0G0BH00.html

此處需要多說一句,粒子的能量不是越大越好,速度也不是越快越好。這取決于研究目標。比如未來的重離子對撞機并不是要增大對撞能量,而是降低對撞能量:高能對撞相對容易,而低能對撞則難點重重。

說了這么多高能粒子對撞,有的小伙伴可能就擔心了,粒子能量如此之高,那對撞機會不會產(chǎn)生巨大的能量,毀滅地球呢?比如產(chǎn)生一個微型黑洞吞沒地球呢?

實際上,這種擔憂是杞人憂天。粒子的能量高,是指單粒子的能量高,但是對撞機里的總粒子數(shù),相對于宏觀物質(zhì)所包含的粒子數(shù)來說,其實是非常少的,所以總能量也很小,你吹一口氣的總能量甚至都比對撞機里的粒子總能量高。當然,你吹出的空氣分子的平均能量低,無法用于對撞!

而且,人類加速粒子達到的能量看著挺高,但是放眼宇宙,那也是個弟弟啊。1991年的時候,人們探測到了一個來自宇宙的質(zhì)子,其速度是為光速的99.99999999999999999999951%,小數(shù)點后一共23個9,比目前人類能達到的速度和能量,不知道高到哪里去!

這個粒子能量實在太高了,就把它稱為“The Oh-my-god particle”(據(jù)說一開始稱為“god damn particle”,但是覺得不太文明,就改了)。在地球過去的45億年里,這樣的高能粒子肯定很多,但是地球并沒有受到什么影響,人類也從來沒有觀測到,宇宙中有哪個星球被一個高能粒子給摧毀,所以,大家盡管放寬心,對撞機是摧毀不了地球的!

出品:中國科普博覽x知乎

作者:子乾(知乎物理學優(yōu)秀答主)

文章僅代表作者觀點,不代表中國科普博覽立場

本文首發(fā)于中國科普博覽(kepubolan)

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評論
演繹無限精彩!
大學士級
粒子的速度可以不斷接近光速,只要能提供足夠的能量,那么粒子的速度就可以足夠接近光速。
2022-05-30
傳承解惑
大學士級
人類建造了粒子加速器和粒子對撞機,把極小的粒子加速到非??斓乃俣?,接近光速,然后讓它們迎頭相撞。
2022-05-30
科普江華
大學士級
粒子的加速原理廣泛運用到實踐中,將對人類科技社會產(chǎn)生巨大推進作用。
2022-05-30