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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（此處只考慮物質(zhì)的速度，而不考慮諸如宇宙膨脹速度等）！大約30萬(wàn)公里每秒！以這個(gè)速度，一束光每秒能繞地球赤道七圈半！坐地日行600億公里?。∧堑诙斓乃俣仁鞘裁?？正所謂文無(wú)第一，武無(wú)第二，物體的速度只有第一快，沒(méi)有第二快！

不過(guò)，為了研究宇宙的起源、物質(zhì)的構(gòu)成，人類(lèi)建造了粒子加速器和粒子對(duì)撞機(jī)，把極小的粒子加速到非?？斓乃俣?，接近光速，然后讓它們迎頭相撞，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(duì)撞粒子的性質(zhì)了。

LHC粒子對(duì)撞示意圖，根據(jù)真實(shí)對(duì)撞數(shù)據(jù)重建

來(lái)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(dá)到光速嗎？很遺憾，這是不能的，這是被大自然所禁止的！一個(gè)粒子的能量與速度的關(guān)系為：

m是粒子的靜質(zhì)量，c是光速，v是粒子的速度，可以看到，如果一個(gè)靜質(zhì)量不為零的粒子，如電子、質(zhì)子、原子核等等，速度達(dá)到了光速，那么它的能量也就會(huì)無(wú)窮大，這顯然是不可能的。當(dāng)然，雖然不能達(dá)到光速，但是可以不斷接近光速，只要能提供足夠的能量，那么粒子的速度就可以足夠接近光速。

粒子能量與速度（與光速之比）的關(guān)系 作者自繪

目前世界上最大的粒子對(duì)撞機(jī)，是位于歐洲核子中心的，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC），它加速的是質(zhì)子，也就是氫原子核。能多快呢？最快能達(dá)到光速的99.9999991%，跟光速已經(jīng)非常接近了！

那加速電子呢？位于美國(guó)斯坦福的直線(xiàn)加速器（SLAC），能把電子加速到光速的99. 999999995%。雖然這個(gè)速度比上文中提到的質(zhì)子快多了，但其實(shí)加速電子比加速質(zhì)子更容易，因?yàn)殡娮拥馁|(zhì)量更小，相比之下僅有質(zhì)子質(zhì)量的1800分之一。根據(jù)上面能量的公式，相同的能量下，靜質(zhì)量越大，那么速度就越小。

除了電子和質(zhì)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(gè)質(zhì)子或者電子重多了，比如說(shuō)，位于美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的相對(duì)論性重離子對(duì)撞機(jī)（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(zhì)子和電子的速度，但也已經(jīng)非?？炝恕Ｔ瓌t上來(lái)說(shuō)，所有的原子核都可以被加速到接近光速的地步，但根據(jù)其質(zhì)量大小，速度自然也快慢不一。

在加速這些粒子之后，自然會(huì)令它們對(duì)撞，那么兩個(gè)原子核是以什么姿態(tài)對(duì)撞呢？這樣嗎：

圖片來(lái)源：https://sciencesprings.wordpress.com/tag/eic-electron-ion-collider-in-development/

顯然不是，而是這樣的：

相對(duì)論性重離子對(duì)撞模擬圖

圖片來(lái)源：https://madai.phy.duke.edu/indexaae2.html?page_id=503

出現(xiàn)這種情況是因?yàn)樵雍耸怯幸欢w積的，而速度接近光速，那么在速度方向就會(huì)出現(xiàn)尺縮效應(yīng)，一個(gè)球狀的粒子就變成一個(gè)薄餅了！

不過(guò)這并不是極限，更大更長(zhǎng)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(yù)想未來(lái)的環(huán)地球、環(huán)太陽(yáng)系、甚至環(huán)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(guī)劃或者已經(jīng)在建的加速器和對(duì)撞機(jī)。

國(guó)際直線(xiàn)對(duì)撞機(jī)（ILC），加速對(duì)撞的粒子是正負(fù)電子：正負(fù)電子分別通過(guò)一個(gè)11公里左右的直線(xiàn)加速器加速的（而不是環(huán)形的），預(yù)計(jì)能把電子加速到 250GeV，而速度則達(dá)到了光速的 99.99999999979%，小數(shù)點(diǎn)后一共11個(gè)9！比上面提到的SLAC還高！一旦建成，將成為有史以來(lái)最強(qiáng)的電子加速器和對(duì)撞機(jī)。

最近幾年，中國(guó)也在推一個(gè)環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(CEPC)，這是環(huán)形的加速器，目標(biāo)能量125GeV，電子速度為光速的99.99999999916%，也是11個(gè)9！除此之外，按照計(jì)劃，如果一切順利的話(huà)，CEPC后期可能會(huì)升級(jí)成一個(gè)超級(jí)質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞機(jī)（SppC），其中的二期工程預(yù)期期望把質(zhì)子加速到75TeV，比目前LHC的7TeV高了不少，屆時(shí)質(zhì)子的速度能到光速的99.999999992%，有10個(gè)9，這速度，確實(shí)夠快了！

CEPC設(shè)計(jì)概念圖

圖片來(lái)源：https://new.qq.com/omn/20191210/20191210A0G0BH00.html

此處需要多說(shuō)一句，粒子的能量不是越大越好，速度也不是越快越好。這取決于研究目標(biāo)。比如未來(lái)的重離子對(duì)撞機(jī)并不是要增大對(duì)撞能量，而是降低對(duì)撞能量：高能對(duì)撞相對(duì)容易，而低能對(duì)撞則難點(diǎn)重重。

說(shuō)了這么多高能粒子對(duì)撞，有的小伙伴可能就擔(dān)心了，粒子能量如此之高，那對(duì)撞機(jī)會(huì)不會(huì)產(chǎn)生巨大的能量，毀滅地球呢？比如產(chǎn)生一個(gè)微型黑洞吞沒(méi)地球呢？

實(shí)際上，這種擔(dān)憂(yōu)是杞人憂(yōu)天。粒子的能量高，是指單粒子的能量高，但是對(duì)撞機(jī)里的總粒子數(shù)，相對(duì)于宏觀物質(zhì)所包含的粒子數(shù)來(lái)說(shuō)，其實(shí)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(duì)撞機(jī)里的粒子總能量高。當(dāng)然，你吹出的空氣分子的平均能量低，無(wú)法用于對(duì)撞！

而且，人類(lèi)加速粒子達(dá)到的能量看著挺高，但是放眼宇宙，那也是個(gè)弟弟啊。1991年的時(shí)候，人們探測(cè)到了一個(gè)來(lái)自宇宙的質(zhì)子，其速度是為光速的99.99999999999999999999951%，小數(shù)點(diǎn)后一共23個(gè)9，比目前人類(lèi)能達(dá)到的速度和能量，不知道高到哪里去！

這個(gè)粒子能量實(shí)在太高了，就把它稱(chēng)為“The Oh-my-god particle”(據(jù)說(shuō)一開(kāi)始稱(chēng)為“god damn particle”，但是覺(jué)得不太文明，就改了)。在地球過(guò)去的45億年里，這樣的高能粒子肯定很多，但是地球并沒(méi)有受到什么影響，人類(lèi)也從來(lái)沒(méi)有觀測(cè)到，宇宙中有哪個(gè)星球被一個(gè)高能粒子給摧毀，所以，大家盡管放寬心，對(duì)撞機(jī)是摧毀不了地球的！

出品：中國(guó)科普博覽x知乎

作者：子乾（知乎物理學(xué)優(yōu)秀答主）

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