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飞1光年,只比光慢0.15飞秒!已知最快的质子,至今仍是未解之谜

时间:2023/9/21 15:51:47 点击:

  核心提示: 爱因斯坦告诉我们,光速是宇宙中的一种速度极限,任何具有静质量的物质,其运动速度只能接近光速而不能到达光速,哪怕是小小的质子,也会因为具有静质量而不能达到光速。实际情况也确实是如此,就算是大名鼎鼎的大...

爱因斯坦告诉我们,光速是宇宙中的一种速度极限,任何具有静质量的物质,其运动速度只能接近光速而不能到达光速,哪怕是小小的质子,也会因为具有静质量而不能达到光速。实际情况也确实是如此,就算是大名鼎鼎的大型强子对撞机(LHC),也只能将质子加速到0.999999991倍光速,而这也是我们人类目前能够让质子达到的最快速度。

那宇宙中是否存在比0.999999991倍光速更快的质子呢?答案是肯定的,实际上,在过去的日子里,科学家已经发现不少速度更加接近光速的超高能量质子,而其中速度最快的,则被称为“Oh-My-God粒子”(Oh-My-God particle),它之所以有这样一个名字,其实是因为它的速度实在是太快了,为方便描述,我们不妨将其简称为“OMG粒子”。

“OMG粒子”是犹他州大学的高分辨宇宙粒子探测器于1991年10月15日发现的,根据研究人员的测算,当它闯入地球大气层的时候,其速度达到了惊人的

0.9999999999999999999999951倍光速,这是什么概念呢?

这样说吧,如果“OMG粒子”和一束光在真空中“赛跑”,那么它飞1光年的距离,大概只比光慢0.15飞秒(0.00000000000000015秒)!如此高的速度使它的能量达到了3.2乘以10的20次方eV(注:eV即电子伏特),这大概相当于一个棒球以每小时100公里的速度飞行时所具备的动能。

“OMG粒子”为什么会如此之快?这至今仍是未解之谜。从理论上来讲,宇宙中的一些高能事件,是可以制造出像“OMG粒子”这样的超高能量粒子的,然而科学家却早已发现,在宇宙中存在着一种“GZK极限”,它会限制超高能量粒子在宇宙空间中的传播速度。

要了解“GZK极限”是什么,我们需要从宇宙的“微波背景辐射”讲起,简而言之,“微波背景辐射”可以认为是宇宙中最早的光,但因为光速的限制,它们现在仍然在宇宙空间中传播,只不过由于宇宙的膨胀,现在的它们已经变成了微波。

从整体上来讲,“微波背景辐射”是各向同性的,它们均匀地充斥在宇宙空间之中,平均每立方米大概就有4.11亿个“微波背景辐射”的光子,如此巨大的数量就意味着,一个质子(或者其他的微观粒子)在宇宙空间中穿行时,就会不可避免遇到这些光子。

对于一个质子来讲,如果它的速度并不是很快,其能量也就不太高,那么它就可以与“微波背景辐射”的光子彼此“相安无事”。

但假如它的速度非常快,以至于其能量超过了一个临界值,那么它就会与“微波背景辐射”的光子发生相互作用,并不断地生成Π介子,速度越快,生成Π介子的速度也越快,这就会导致其能量急剧损失,速度也会迅速降低,而这样的情况将一直持续到它的能量低于这个临界值才会中止。

这个临界值就被称为“GZK极限”,其具体数值为5乘以10的19次方eV,与之相比,“OMG粒子”作为已知最快的质子,其能量却高达3.2乘以10的20次方eV,所以它当然会受到“GZK极限”的限制,在穿越宇宙空间的过程中,其能量也会急剧损失,如此一来,它传播不了多远,其速度也就降下来了。

当然了,这种速度的降低是有一个过程的,假设“OMG粒子”的发射源距离地球比较近,它也能以高于“GZK极限”允许的速度抵达地球,进而被我们观测到。

但问题是,在宇宙中能够发射出像“OMG粒子”这样的超高能量质子的发射源,只能是像超新星爆发、中子星碰撞、黑洞喷流这样的高能事件,而它们是会在宇宙中制造很大的动静的,即使隔着几亿、几十亿光年,我们都可以轻易地发现它们。

然而根据科学家的计算,一个能量超过“GZK极限”的粒子想要抵达地球,其发射源最远也不能超过50百万秒差距(1秒差距离约为3.26光年),但观测数据却显示,在这个范围之内,根本就没有任何可以发射像“OMG粒子”这样的超高能量质子的发射源,也就是说,从理论上来讲,我们在地球上不可能观测到速度如此之快的质子,但事实上,我们确实观测到了

需要指出的是,“OMG粒子”其实并不是唯一,在过去的研究中,科学家已经观测到不少与之类似的粒子,所以这就成为了一个悖论,科学家将其称为“GZK悖论”,至今仍是未解之谜。就目前的情况来看,相关的研究仍然在进行之中,期待科学家在未来能够找到答案。

作者:不详 来源:网络
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