我们人类目前保持的能量记录是在世界上最大的粒子加速器,比如SLAC、费米实验室和大型强子对撞机中创造出来的。但我们在地球上所做的一切与自然宇宙本身毫无关系!今天要说的问题是:如果存在无限的能量,是否可以将粒子加速到超光速?

如果我们获得了无限的能量,是否可以将粒子加速到光速?-MAAMX

宇宙射线的发现

在大型强子对撞机中两个质子发生着14TeV的碰撞,这是人类所创造的最高能量的粒子,但这个能量在宇宙面前只能望其项背。那么宇宙的最高能量粒子在哪里?其实就在我们头顶,因为地球正一直不断地受到这些高能粒子的轰击。

如果你以前从未听说过这件事,但我相信你看过《神奇四侠》,它把里德·理查兹(Reed Richards)宇宙飞船上的四位科学家变成了神奇四侠(Fantastic four)。它就是宇宙射线,以其虚构的效应而闻名于世。

我们不需要进入太空,甚至不需要任何形式的高空检测,就能知道这些高能粒子的存在。甚至在人类第一次离开地球表面之前,就已经知道了在地球大气层的保护之下,外层空间充满了高能辐射。那当时的人们是怎么知道的?

第一个线索来自于一个最简单的电学实验,涉及到一个验电器。它是一个特别简单的装置:有两片薄薄的导体(金属箔)。通过给金属箔来检验是否有电荷存在。

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如果我们给金属箔加上电荷,两个叶片将获得相同的电荷,并因此相互排斥。随着时间的推移,电荷会缓慢的消散。那么问题是电荷去哪了?当时人们考虑可能是空气存在的原因,于是就把验电器至于真空环境中,再次进行实验。

而验电器还是慢慢放电!于是人们就在处于真空环境中的验电器周围用铅块进行屏蔽外界的一切影响,它仍然会放电,这让人产生了些许的困惑,但20世纪早期一个更加深入的实验给了我们一个线索,为什么?如果我们去越来越高的地方做这个实验,放电现象会发生得更快。当时就有一些科学家提出了这样的假设:放电是由于高能辐射造成,这种辐射具有极强的穿透力,也就是说少量的铅块屏蔽不住,而且这种高能辐射来自外星。

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搞科学的人就是有新想法、有新理论的提出,就要想办法用实验去验证这个新假设!于是在1912年,维克多·赫斯(Victor Hess)就用实验去寻找这些所谓的高能宇宙粒子,用气球将探测器带到高空进行实验,很快发现了大量的宇宙粒子,并由此被后人称为:宇宙射线之父。

维克多所用的探测器很简单:首先是对可以让带电粒子显示飞行痕迹的一种示踪剂(或者后来的云室),然后在示踪剂周围加上磁场。我们知道带电粒子会在磁场的作用下发生偏转,而示踪剂又能显示出粒子在磁场下飞行的轨迹,根据粒子的飞行轨迹以及设置磁场的强度,我们就能算出:粒子的电荷质量比、及其速度。

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在20世纪30年代,人们通过一些更复杂的探测器发现,宇宙射线中的大约90%粒子是质子,其所包含的能量范围很广泛,最低只有几兆电子伏(MeV),到最高5×10^10 GeV的能量!剩下的10%基本上是阿尔法粒子,也就是氦原子核,其与质子的能量相当。但速度肯定要慢的多,因为阿尔法粒子更重。

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当宇宙射线轰击地球大气层顶部时,会与大气层中的空气分子发生碰撞,产生级联反应,意思就是每一次相互作用的产物都会导致随后与新的大气粒子的相互作用,跟连锁反应一样。最终结果是产生了所谓的高能粒子簇,同时也产生了两个新粒子:正电子以及μ介子。

最神奇的事情之一是:即使我们身处在地球表面,如果你伸出手掌,每秒钟就大约有一个μ子穿过你的手掌。

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高能粒子簇创造了这些μ子,而这些μ子也证明了狭义相对论的正确性!这些μ子在大气层100公里处产生,其平均可以存活2.2微秒就会发生衰变!2.2微秒的寿命即使以光速移动,也只能前进660米。然而,由于时间膨胀的原因,接近光速的粒子时间流逝就会减慢,因此μ子在我们外部的观察者看来寿命就会增加,在衰变之前足以到达地球表面!

宇宙中存在着能量限制

在今天,我们已经有更好的探测器可以更加精确地测量宇宙射线中高能粒子的丰度、及其能量谱!

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宇宙射线中所包含的粒子,其能量大多集中在100 GeV及其以下,我们所在的区域,每平方米每秒钟大约就会受到一个100 GeV粒子(即10^11 eV)的撞击。当然更高能量的粒子也有,但它们出现的频率非常低。

比如,在10,000,000 GeV(或10^16 eV)能量下的粒子,在一个平方米每面只能检测到1个此能量下的粒子,而对于最高能量的粒子,能量在5×10^10 GeV(或5×10^19 eV)),就需要建立一个边长在10公里的方形探测器,一年只能发现一个这样的粒子。

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这时你可能会想为什么宇宙射线中高能粒子这么少?而更高能量的粒子就已经基本检测不到了?难道宇宙中所能提供的能量就是这样?其实不是的,我们的大型强子对撞机可以给质子提供7Tev的能量,就可以将其加速到99.999999的光速,但宇宙中最大、最活跃的黑洞所提供的磁场强度是人类所能创造的1亿倍,而且其吸积盘更是比大型强子对撞机的环形跑道要大的多。那为什么宇宙射线中的能量没有达到一个惊人的数值?而质子的速度也没超过光速?

因此我们猜测:宇宙射线的能量应该有一个截止值(阈值),宇宙也有一个速度限制!这些质子必须穿越巨大的宇宙空间才能到达地球,而宇宙并不是空的,它充满了大量的低能冷辐射:宇宙微波背景!

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宇宙射线的诞生地一般都在距离我们遥远的黑洞。如果高能粒子被创造出来时其能量超过了5×10^10 GeV,它最多只能以更高的能量向前行进几百万光年,因为大爆炸遗留下来的光子会与它发生作用,使其产生一个π介子,创造出新粒子,肯定就会消耗能量,知道使得高能粒子的能量下降到理论上的宇宙能量极限,即所谓的GZK极限。

因此,我们建造了一个大得离谱的探测器,目的就是想看宇宙射线是否存在这样的能量限制!

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总结:就算可以提供无限的能量,但粒子也不会超过GZK极限

认识一下位于阿根廷的皮埃尔·奥格天文台,占地3000平方公里,其证实了宇宙射线确实存在可以达到但不会超过的高能阈值,这个能量阈值比人类目前创造的能量高了1000万倍!这也意味着宇宙中能量最好的质子,也就是能量在GZK极限极限的质子,几乎在以和光速无法区分的速度运动(299,792,458米/秒),只比光子稍微慢了一点点。

宇宙中速度最快的质子(能量在GZK极限的质子)以每秒299,792,457.999999999999918米的速度移动,其与一个光子赛拍500万光年只会比光子满6秒到达目的地!这些超高能量的宇宙射线一般来拥有超大质量黑洞的活动星系,比如ngc1275,这些比较大、比较活跃的星系一般距离我们有数亿或数十亿光年的距离。

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通过美国国家航空航天局的星际边界探测器(IBEX),我们发现太阳系外的宇宙射线是地球上和地球周围宇宙射线的10倍,因为太阳的日鞘阻挡了大多数的宇宙高能粒子。这跟我们的地球磁场阻挡太阳风粒子原理是一样的。

从理论上讲,在宇宙空间宇宙射线的碰撞无处不在,因此,我们说宇宙本身就是终极的大型强子对撞机:其能量比我们在地球上创造的能量高出一千万倍。