人类能把粒子加速到多快？

　　编者按：

　　2022 年 5 月 18 日 – 6 月 12 日，中国科普博览携手知乎科学，发起「写给未来的答案」征集，邀请众多科研专家、青年学者，为这些问题留下最新的注脚。正值中科院第18届公众科学日，这也是我们为大家带来的“科学大礼包”之一。也许你恰好是相关专业的从业者，这些问题触碰到了你的知识领域；也许你是兴趣使然，早已深耕多年，对这些问题有独到见解；又或者你也有这样关于未来的问题，期待你一起加入进来，为科学执笔，把答案写给未来。

　　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（此处只考虑物质的速度，而不考虑诸如宇宙膨胀速度等）！ 大约30万公里每秒！ 以这个速度，一束光每秒能绕地球赤道七圈半！ 坐地日行600亿公里啊！ 那第二快的速度是什么？ 正所谓文无第一，武无第二，物体的速度只有第一快，没有第二快！

　　不过，为了研究宇宙的起源、物质的构成，人类建造了粒子加速器和粒子对撞机，把极小的粒子加速到非常快的速度，接近光速，然后让它们迎头相撞，粒子分崩离析，飞向四面八方。收集这些四散而逃的粒子，分析它们的行为，就可以反推出对撞粒子的性质了。

　　LHC粒子对撞示意图，根据真实对撞数据重建

　　来源：https://home.cern/news/news/accelerators/lhc-experiments-join-forces-zoom-higgs-boson）

　　那我们能把粒子加速到多快呢？能达到光速吗？很遗憾，这是不能的，这是被大自然所禁止的！一个粒子的能量与速度的关系为：

　　m是粒子的静质量，c是光速，v是粒子的速度，可以看到，如果一个静质量不为零的粒子，如电子、质子、原子核等等，速度达到了光速，那么它的能量也就会无穷大，这显然是不可能的。当然，虽然不能达到光速，但是可以不断接近光速，只要能提供足够的能量，那么粒子的速度就可以足够接近光速。

　　粒子能量与速度（与光速之比）的关系 作者自绘

　　目前世界上最大的粒子对撞机，是位于欧洲核子中心的，大型强子对撞机（LHC），它加速的是质子，也就是氢原子核。能多快呢？最快能达到光速的99.9999991%，跟光速已经非常接近了！

　　那加速电子呢？位于美国斯坦福的直线加速器（SLAC），能把电子加速到光速的99. 999999995%。虽然这个速度比上文中提到的质子快多了，但其实加速电子比加速质子更容易，因为电子的质量更小，相比之下仅有质子质量的1800分之一。根据上面能量的公式，相同的能量下，静质量越大，那么速度就越小。

　　除了电子和质子，还有一种加速器，加速的是各种原子的原子核，原子核可比单纯的一个质子或者电子重多了，比如说，位于美国布鲁克海文国家实验室的相对论性重离子对撞机（RHIC），就能把金元素的原子核加速到光速的99.995%，虽然不及上述质子和电子的速度，但也已经非常快了。原则上来说，所有的原子核都可以被加速到接近光速的地步，但根据其质量大小，速度自然也快慢不一。

　　在加速这些粒子之后，自然会令它们对撞，那么两个原子核是以什么姿态对撞呢？这样吗：

　　图片来源：https://sciencesprings.wordpress.com/tag/eic-electron-ion-collider-in-development/

　　显然不是，而是这样的：

　　相对论性重离子对撞模拟图

　　图片来源：https://madai.phy.duke.edu/indexaae2.html?page_id=503

　　出现这种情况是因为原子核是有一定体积的，而速度接近光速，那么在速度方向就会出现尺缩效应，一个球状的粒子就变成一个薄饼了！

　　不过这并不是极限，更大更长的加速器，往往意味着更高的能量和更快的速度。很多人可能预想未来的环地球、环太阳系、甚至环银河系加速器，目前这些都还停留在科幻中，我们看看目前在规划或者已经在建的加速器和对撞机。

　　国际直线对撞机（ILC），加速对撞的粒子是正负电子：正负电子分别通过一个11公里左右的直线加速器加速的（而不是环形的），预计能把电子加速到 250GeV，而速度则达到了光速的 99.99999999979%，小数点后一共11个9！比上面提到的SLAC还高！一旦建成，将成为有史以来最强的电子加速器和对撞机。

　　最近几年，中国也在推一个环形正负电子对撞机(CEPC)，这是环形的加速器，目标能量125GeV，电子速度为光速的99.99999999916%，也是11个9！除此之外，按照计划，如果一切顺利的话，CEPC后期可能会升级成一个超级质子-质子对撞机（SppC），其中的二期工程预期期望把质子加速到75TeV，比目前LHC的7TeV高了不少，届时质子的速度能到光速的99.999999992%，有10个9，这速度，确实够快了！

　　CEPC设计概念图

　　图片来源：https://new.qq.com/omn/20191210/20191210A0G0BH00.html

　　此处需要多说一句，粒子的能量不是越大越好，速度也不是越快越好。这取决于研究目标。比如未来的重离子对撞机并不是要增大对撞能量，而是降低对撞能量：高能对撞相对容易，而低能对撞则难点重重。

　　说了这么多高能粒子对撞，有的小伙伴可能就担心了，粒子能量如此之高，那对撞机会不会产生巨大的能量，毁灭地球呢？比如产生一个微型黑洞吞没地球呢？

　　实际上，这种担忧是杞人忧天。粒子的能量高，是指单粒子的能量高，但是对撞机里的总粒子数，相对于宏观物质所包含的粒子数来说，其实是非常少的，所以总能量也很小，你吹一口气的总能量甚至都比对撞机里的粒子总能量高。当然，你吹出的空气分子的平均能量低，无法用于对撞！

　　而且，人类加速粒子达到的能量看着挺高，但是放眼宇宙，那也是个弟弟啊。1991年的时候，人们探测到了一个来自宇宙的质子，其速度是为光速的99.99999999999999999999951%，小数点后一共23个9，比目前人类能达到的速度和能量，不知道高到哪里去！

　　这个粒子能量实在太高了，就把它称为“The Oh-my-god particle”(据说一开始称为“god damn particle”，但是觉得不太文明，就改了)。在地球过去的45亿年里，这样的高能粒子肯定很多，但是地球并没有受到什么影响，人类也从来没有观测到，宇宙中有哪个星球被一个高能粒子给摧毁，所以，大家尽管放宽心，对撞机是摧毁不了地球的！

　　写给未来的答案-圆桌↓↓↓

　　出品：中国科普博览x知乎

　　作者：子乾（知乎物理学优秀答主）

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