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宇宙的最高能量是什么?

要谈宇宙的最高能量首先要从我们人类最强的粒子加速器开始,对我们人类来说粒子加速器加速的粒子所达到的能量和速度分…

要谈宇宙的最高能量首先要从我们人类最强的粒子加速器开始,对我们人类来说粒子加速器加速的粒子所达到的能量和速度分别是:7 Tev和99.99999988%C!这个成就相当惊人,但是和宇宙比起来不值一提,有点小儿科!

今天我通过题主的问题,一并解决三个大家关心的问题:

宇宙的最高能量

为什么宇宙的极限速度是C,

为什么我认为粒子加速器十分安全,并不会像传说中的会制造什么黑洞,威胁地球,这太夸大其词了!

粒子物理学家一直在研究宇宙最高能量时的情况,这也是大型强子对撞机(LHC)的主要科学目标之一。大型强子对撞机达到了有史以来人类创造的最高碰撞能量。LHC通过运行两个5到7 TeV的粒子(其中一个TeV是1012电子伏,或1012 eV),使总可用能量达到14 TeV,而且我们人类目前创造的最高电子速度为299792457.9964米/秒,或者说是惊人的99.99999988%C,仅仅比真空中的光慢3.6毫米/秒!

这是我们在实验室中创造的最高能量也是最快的速度。通过将两个高能粒子相互撞击,这些可用能量将通过爱因斯坦著名的质能方程式,转化为新的粒子和反粒子,然后我们可以在碰撞周围的探测器中寻找生成的粒子,这是我们人类目前的成就,相当不错了!

但是在太空中有比地球上更大的粒子加速器。特别是,大质量星系中心的超大质量黑洞可以产生宇宙中最高的能量,使大型强子对撞机的能量相形见绌。黑洞创造出具有极高能量的粒子——被称为高能宇宙射线。

这时你可能会想我们人类已经在粒子加速器中达到了99.99999988%C,那么宇宙的高能射线为何依然没有超越光速呢?也可以这么说,宇宙为何不可能创造出任意高的能量粒子到达地球呢?

因为有东西挡住了去路!如果你把一颗子弹射入水箱,水会使子弹减速。

当你向宇宙发射高能粒子时,粒子是不会落入水中也没有空气阻挡。但是高能粒子会撞上了大爆炸遗留下来的辉光,即宇宙微波背景辐射。

来自微波背景光子的能量非常小:只有0.00023 eV左右。

如果你有一个能量足够高的粒子进入了宇宙微波背景,你释放的粒子会核微波辐射发生碰撞(相互作用),然后生成一个新的粒子并减速,就像子弹释放能量(主要是热、声音和压力波)并在水中减速一样。

像这样的碰撞能产生的最轻的粒子是中性π介子,每一个π介子需要消耗135Mev的能量。这里有一个相对容易计算的阈值,我们需要考虑三种能量。

来自微波背景的光子能量,E(cmb)

产生的新粒子的能量,E(new)高能宇宙射线的能量,Eray

下面有一个相对简单的公式把这三种能量联系起来:

Enew² = 2 Eray ECMB

这意味着能穿过宇宙微波背景辐射到达地球的最高能量宇宙线大约是4 x 10ˆ19 eV。

这是高能宇宙射线到达地球最高能量。当它们撞击地球时,这可不是撞在地上或者山上,而是会撞上原子,这意味着高能射线不是撞上电子就是撞上质子。那么有多少能量可以产生新的粒子,我们使用和上面一样的公式来算一下。之前公式里的E(CMB)是微波背景下光子的能量,我们现在换成E(质子),质子的质能大约是938mev。

所以,宇宙射线用多少能量制造新粒子?大约是274 TeV。这个能量是大型强子对撞机的20倍。

这些高能量的宇宙射线不太常见;每年只有几千个能量最高的粒子撞击地球。但是,如果我们问在我们45亿年的历史中有多少这种巨大的能量撞击过地球,我们得到的数字是10ˆ15!

在地球的历史上有超过10ˆ15个事件的能量远远超过了大型强子对撞机的能量,而地球也完好无损,我们也生活的很快活。这就是为什么,在战胜宇宙射线的能量之前,我相信粒子加速器永远不会威胁地球的安全,目前的说法都是无稽之谈。

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