人類能把粒子加速到多快？

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。

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：

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。

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：

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

顯然不是，而是這樣的：

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！

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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