2022年05月25日 09:00
【科學快訊】
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30萬公裏每秒！以這個速度，一束光每秒能繞地球赤道七圈半！坐地日行600億公裏啊！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系為：
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公裏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，但是對撞機裏的總粒子數，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裏的粒子總能量高。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，不知道高到哪裏去！
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45億年裏，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
