“能量是被解放的物質(zhì)，物質(zhì)是等待發(fā)生的能量。”——比爾·布萊森
我們?nèi)祟惸壳氨３值哪芰坑涗浭窃谑澜缟献畲蟮牧Ｗ蛹铀倨?，比如SLAC、費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室和大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中創(chuàng)造出來的。但我們?cè)诘厍蛏纤龅囊磺信c自然宇宙本身毫無關(guān)系！今天要說的問題是：如果存在無限的能量，是否可以將粒子加速到超光速？
宇宙射線的發(fā)現(xiàn)
在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中兩個(gè)質(zhì)子發(fā)生著14TeV的碰撞，這是人類所創(chuàng)造的最高能量的粒子，但這個(gè)能量在宇宙面前只能望其項(xiàng)背。那么宇宙的最高能量粒子在哪里？其實(shí)就在我們頭頂，因?yàn)榈厍蛘恢辈粩嗟厥艿竭@些高能粒子的轟擊。
如果你以前從未聽說過這件事，但我相信你看過《神奇四俠》，它把里德·理查茲（Reed Richards）宇宙飛船上的四位科學(xué)家變成了神奇四俠（Fantastic four）。它就是宇宙射線，以其虛構(gòu)的效應(yīng)而聞名于世。
我們不需要進(jìn)入太空，甚至不需要任何形式的高空檢測(cè)，就能知道這些高能粒子的存在。甚至在人類第一次離開地球表面之前，就已經(jīng)知道了在地球大氣層的保護(hù)之下，外層空間充滿了高能輻射。那當(dāng)時(shí)的人們是怎么知道的？
第一個(gè)線索來自于一個(gè)最簡單的電學(xué)實(shí)驗(yàn)，涉及到一個(gè)驗(yàn)電器。它是一個(gè)特別簡單的裝置：有兩片薄薄的導(dǎo)體（金屬箔）。通過給金屬箔來檢驗(yàn)是否有電荷存在。
如果我們給金屬箔加上電荷，兩個(gè)葉片將獲得相同的電荷，并因此相互排斥。隨著時(shí)間的推移，電荷會(huì)緩慢的消散。那么問題是電荷去哪了？當(dāng)時(shí)人們考慮可能是空氣存在的原因，于是就把驗(yàn)電器至于真空環(huán)境中，再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
而驗(yàn)電器還是慢慢放電！于是人們就在處于真空環(huán)境中的驗(yàn)電器周圍用鉛塊進(jìn)行屏蔽外界的一切影響，它仍然會(huì)放電，這讓人產(chǎn)生了些許的困惑，但20世紀(jì)早期一個(gè)更加深入的實(shí)驗(yàn)給了我們一個(gè)線索，為什么？如果我們?nèi)ピ絹碓礁叩牡胤阶鲞@個(gè)實(shí)驗(yàn)，放電現(xiàn)象會(huì)發(fā)生得更快。當(dāng)時(shí)就有一些科學(xué)家提出了這樣的假設(shè)：放電是由于高能輻射造成，這種輻射具有極強(qiáng)的穿透力，也就是說少量的鉛塊屏蔽不住，而且這種高能輻射來自外星。
搞科學(xué)的人就是有新想法、有新理論的提出，就要想辦法用實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證這個(gè)新假設(shè)！于是在1912年，維克多·赫斯（Victor Hess）就用實(shí)驗(yàn)去尋找這些所謂的高能宇宙粒子，用氣球?qū)⑻綔y(cè)器帶到高空進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，很快發(fā)現(xiàn)了大量的宇宙粒子，并由此被后人稱為：宇宙射線之父。
維克多所用的探測(cè)器很簡單：首先是對(duì)可以讓帶電粒子顯示飛行痕跡的一種示蹤劑（或者后來的云室），然后在示蹤劑周圍加上磁場(chǎng)。我們知道帶電粒子會(huì)在磁場(chǎng)的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而示蹤劑又能顯示出粒子在磁場(chǎng)下飛行的軌跡，根據(jù)粒子的飛行軌跡以及設(shè)置磁場(chǎng)的強(qiáng)度，我們就能算出：粒子的電荷質(zhì)量比、及其速度。
在20世紀(jì)30年代，人們通過一些更復(fù)雜的探測(cè)器發(fā)現(xiàn)，宇宙射線中的大約90%粒子是質(zhì)子，其所包含的能量范圍很廣泛，最低只有幾兆電子伏（MeV），到最高5×10^10 GeV的能量！剩下的10%基本上是阿爾法粒子，也就是氦原子核，其與質(zhì)子的能量相當(dāng)。但速度肯定要慢的多，因?yàn)榘柗Ｗ痈亍?/p>
當(dāng)宇宙射線轟擊地球大氣層頂部時(shí)，會(huì)與大氣層中的空氣分子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生級(jí)聯(lián)反應(yīng)，意思就是每一次相互作用的產(chǎn)物都會(huì)導(dǎo)致隨后與新的大氣粒子的相互作用，跟連鎖反應(yīng)一樣。最終結(jié)果是產(chǎn)生了所謂的高能粒子簇，同時(shí)也產(chǎn)生了兩個(gè)新粒子：正電子以及μ介子。
最神奇的事情之一是：即使我們身處在地球表面，如果你伸出手掌，每秒鐘就大約有一個(gè)μ子穿過你的手掌。
高能粒子簇創(chuàng)造了這些μ子，而這些μ子也證明了狹義相對(duì)論的正確性！這些μ子在大氣層100公里處產(chǎn)生，其平均可以存活2.2微秒就會(huì)發(fā)生衰變！2.2微秒的壽命即使以光速移動(dòng)，也只能前進(jìn)660米。然而，由于時(shí)間膨脹的原因，接近光速的粒子時(shí)間流逝就會(huì)減慢，因此μ子在我們外部的觀察者看來壽命就會(huì)增加，在衰變之前足以到達(dá)地球表面！
宇宙中存在著能量限制
在今天，我們已經(jīng)有更好的探測(cè)器可以更加精確地測(cè)量宇宙射線中高能粒子的豐度、及其能量譜！
宇宙射線中所包含的粒子，其能量大多集中在100 GeV及其以下，我們所在的區(qū)域，每平方米每秒鐘大約就會(huì)受到一個(gè)100 GeV粒子（即10^11 eV）的撞擊。當(dāng)然更高能量的粒子也有，但它們出現(xiàn)的頻率非常低。
比如，在10,000,000 GeV（或10^16 eV）能量下的粒子，在一個(gè)平方米每面只能檢測(cè)到1個(gè)此能量下的粒子，而對(duì)于最高能量的粒子，能量在5×10^10 GeV（或5×10^19 eV)），就需要建立一個(gè)邊長在10公里的方形探測(cè)器，一年只能發(fā)現(xiàn)一個(gè)這樣的粒子。
這時(shí)你可能會(huì)想為什么宇宙射線中高能粒子這么少？而更高能量的粒子就已經(jīng)基本檢測(cè)不到了？難道宇宙中所能提供的能量就是這樣？其實(shí)不是的，我們的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)可以給質(zhì)子提供7Tev的能量，就可以將其加速到99.999999的光速，但宇宙中最大、最活躍的黑洞所提供的磁場(chǎng)強(qiáng)度是人類所能創(chuàng)造的1億倍，而且其吸積盤更是比大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的環(huán)形跑道要大的多。那為什么宇宙射線中的能量沒有達(dá)到一個(gè)驚人的數(shù)值？而質(zhì)子的速度也沒超過光速？
因此我們猜測(cè)：宇宙射線的能量應(yīng)該有一個(gè)截止值（閾值），宇宙也有一個(gè)速度限制！這些質(zhì)子必須穿越巨大的宇宙空間才能到達(dá)地球，而宇宙并不是空的，它充滿了大量的低能冷輻射：宇宙微波背景！
宇宙射線的誕生地一般都在距離我們遙遠(yuǎn)的黑洞。如果高能粒子被創(chuàng)造出來時(shí)其能量超過了5×10^10 GeV，它最多只能以更高的能量向前行進(jìn)幾百萬光年，因?yàn)榇蟊ㄟz留下來的光子會(huì)與它發(fā)生作用，使其產(chǎn)生一個(gè)π介子，創(chuàng)造出新粒子，肯定就會(huì)消耗能量，知道使得高能粒子的能量下降到理論上的宇宙能量極限，即所謂的GZK極限。
因此，我們建造了一個(gè)大得離譜的探測(cè)器，目的就是想看宇宙射線是否存在這樣的能量限制！
總結(jié)：就算可以提供無限的能量，但粒子也不會(huì)超過GZK極限
認(rèn)識(shí)一下位于阿根廷的皮埃爾·奧格天文臺(tái)，占地3000平方公里，其證實(shí)了宇宙射線確實(shí)存在可以達(dá)到但不會(huì)超過的高能閾值，這個(gè)能量閾值比人類目前創(chuàng)造的能量高了1000萬倍！這也意味著宇宙中能量最好的質(zhì)子，也就是能量在GZK極限極限的質(zhì)子，幾乎在以和光速無法區(qū)分的速度運(yùn)動(dòng)（299,792,458米/秒），只比光子稍微慢了一點(diǎn)點(diǎn)。
宇宙中速度最快的質(zhì)子（能量在GZK極限的質(zhì)子）以每秒299,792,457.999999999999918米的速度移動(dòng)，其與一個(gè)光子賽拍500萬光年只會(huì)比光子滿6秒到達(dá)目的地！這些超高能量的宇宙射線一般來擁有超大質(zhì)量黑洞的活動(dòng)星系，比如ngc1275，這些比較大、比較活躍的星系一般距離我們有數(shù)億或數(shù)十億光年的距離。
通過美國國家航空航天局的星際邊界探測(cè)器(IBEX)，我們發(fā)現(xiàn)太陽系外的宇宙射線是地球上和地球周圍宇宙射線的10倍，因?yàn)樘柕娜涨首钃趿舜蠖鄶?shù)的宇宙高能粒子。這跟我們的地球磁場(chǎng)阻擋太陽風(fēng)粒子原理是一樣的。
從理論上講，在宇宙空間宇宙射線的碰撞無處不在，因此，我們說宇宙本身就是終極的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)：其能量比我們?cè)诘厍蛏蟿?chuàng)造的能量高出一千萬倍。
