人類能把粒子加速到多快?

2022年05月25日09:00

  天下武功,唯快不破!宇宙中最快的速度是什麼?我相信很多人都知道,是光速(此處只考慮物質的速度,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600億公里啊!那第二快的速度是什麼?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常快的速度,接近光速,然後讓它們迎頭相撞,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了。

  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係為:

  m是粒子的靜質量,c是光速,v是粒子的速度,可以看到,如果一個靜質量不為零的粒子,如電子、質子、原子核等等,速度達到了光速,那麼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,那麼粒子的速度就可以足夠接近光速。

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

  那加速電子呢?位於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子快多了,但其實加速電子比加速質子更容易,因為電子的質量更小,相比之下僅有質子質量的1800分之一。根據上面能量的公式,相同的能量下,靜質量越大,那麼速度就越小。

  除了電子和質子,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子或者電子重多了,比如說,位於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%,雖然不及上述質子和電子的速度,但也已經非常快了。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,但根據其質量大小,速度自然也快慢不一。

  在加速這些粒子之後,自然會令它們對撞,那麼兩個原子核是以什麼姿態對撞呢?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:

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

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

  不過這並不是極限,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地球、環太陽系、甚至環銀河系加速器,目前這些都還停留在科幻中,我們看看目前在規劃或者已經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%,小數點後一共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,中國也在推一個環形正負電子對撞機(CEPC),這是環形的加速器,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後期可能會升級成一個超級質子-質子對撞機(SppC),其中的二期工程預期期望把質子加速到75TeV,比目前LHC的7TeV高了不少,屆時質子的速度能到光速的99.999999992%,有10個9,這速度,確實夠快了!

  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。這取決於研究目標。比如未來的重離子對撞機並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。

  說了這麼多高能粒子對撞,有的小夥伴可能就擔心了,粒子能量如此之高,那對撞機會不會產生巨大的能量,毀滅地球呢?比如產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,相對於宏觀物質所包含的粒子數來說,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,無法用於對撞!

  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子,其速度是為光速的99.99999999999999999999951%,小數點後一共23個9,比目前人類能達到的速度和能量,不知道高到哪裡去!

  這個粒子能量實在太高了,就把它稱為“The Oh-my-god particle”(據說一開始稱為“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,但是地球並沒有受到什麼影響,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,大家儘管放寬心,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

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