宇宙最高能量是什麼?粒子加速器威脅地球安全,可能被我們誇大了

2020-12-05 李論科學

要談宇宙的最高能量首先要從我們人類最強的粒子加速器開始，對我們人類來說粒子加速器加速的粒子所達到的能量和速度分別是：7 Tev和99.99999988%C！這個成就相當驚人，但是和宇宙比起來不值一提，有點小兒科！

今天我通過題主的問題，一併解決三個大家關心的問題：

宇宙的最高能量為什麼宇宙的極限速度是C，為什麼我認為粒子加速器十分安全，並不會像傳說中的會製造什麼黑洞，威脅地球，這太誇大其詞了！

粒子物理學家一直在研究宇宙最高能量時的情況，這也是大型強子對撞機(LHC)的主要科學目標之一。大型強子對撞機達到了有史以來人類創造的最高碰撞能量。LHC通過運行兩個5到7 TeV的粒子(其中一個TeV是1012電子伏，或1012 eV)，使總可用能量達到14 TeV，而且我們人類目前創造的最高電子速度為299792457.9964米/秒，或者說是驚人的99.99999988%C，僅僅比真空中的光慢3.6毫米/秒！

這是我們在實驗室中創造的最高能量也是最快的速度。通過將兩個高能粒子相互撞擊，這些可用能量將通過愛因斯坦著名的質能方程式，轉化為新的粒子和反粒子，然後我們可以在碰撞周圍的探測器中尋找生成的粒子，這是我們人類目前的成就，相當不錯了！

但是在太空中有比地球上更大的粒子加速器。特別是，大質量星系中心的超大質量黑洞可以產生宇宙中最高的能量，使大型強子對撞機的能量相形見絀。黑洞創造出具有極高能量的粒子——被稱為高能宇宙射線。

這時你可能會想我們人類已經在粒子加速器中達到了99.99999988%C，那麼宇宙的高能射線為何依然沒有超越光速呢？也可以這麼說，宇宙為何不可能創造出任意高的能量粒子到達地球呢？

因為有東西擋住了去路！如果你把一顆子彈射入水箱，水會使子彈減速。

當你向宇宙發射高能粒子時，粒子是不會落入水中也沒有空氣阻擋。但是高能粒子會撞上了大爆炸遺留下來的輝光，即宇宙微波背景輻射。

來自微波背景光子的能量非常小：只有0.00023 eV左右。

如果你有一個能量足夠高的粒子進入了宇宙微波背景，你釋放的粒子會核微波輻射發生碰撞（相互作用），然後生成一個新的粒子並減速，就像子彈釋放能量(主要是熱、聲音和壓力波)並在水中減速一樣。

像這樣的碰撞能產生的最輕的粒子是中性π介子，每一個π介子需要消耗135Mev的能量。這裡有一個相對容易計算的閾值，我們需要考慮三種能量。

來自微波背景的光子能量，E（cmb）產生的新粒子的能量，E（new）高能宇宙射線的能量，Eray下面有一個相對簡單的公式把這三種能量聯繫起來：

Enew = 2 Eray ECMB

這意味著能穿過宇宙微波背景輻射到達地球的最高能量宇宙線大約是4 x 1019 eV。

這是高能宇宙射線到達地球最高能量。當它們撞擊地球時，這可不是撞在地上或者山上，而是會撞上原子，這意味著高能射線不是撞上電子就是撞上質子。那麼有多少能量可以產生新的粒子，我們使用和上面一樣的公式來算一下。之前公式裡的E（CMB）是微波背景下光子的能量，我們現在換成E(質子)，質子的質能大約是938mev。

所以，宇宙射線用多少能量製造新粒子？大約是274 TeV。這個能量是大型強子對撞機的20倍。

這些高能量的宇宙射線不太常見；每年只有幾千個能量最高的粒子撞擊地球。但是，如果我們問在我們45億年的歷史中有多少這種巨大的能量撞擊過地球，我們得到的數字是1015!

在地球的歷史上有超過1015個事件的能量遠遠超過了大型強子對撞機的能量，而地球也完好無損，我們也生活的很快活。這就是為什麼，在戰勝宇宙射線的能量之前，我相信粒子加速器永遠不會威脅地球的安全，目前的說法都是無稽之談。

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