飛1光年,只比光慢0.15飛秒!已知最快的質子,至今仍是未解之謎

2023-09-02     魅力科學君

原標題:飛1光年,只比光慢0.15飛秒!已知最快的質子,至今仍是未解之謎

愛因斯坦告訴我們,光速是宇宙中的一種速度極限,任何具有靜質量的物質,其運動速度只能接近光速而不能到達光速,哪怕是小小的質子,也會因為具有靜質量而不能達到光速。實際情況也確實是如此,就算是大名鼎鼎的大型強子對撞機(LHC),也只能將質子加速到0.999999991倍光速,而這也是我們人類目前能夠讓質子達到的最快速度。

那宇宙中是否存在比0.999999991倍光速更快的質子呢?答案是肯定的,實際上,在過去的日子裡,科學家已經發現不少速度更加接近光速的超高能量質子,而其中速度最快的,則被稱為「Oh-My-God粒子」(Oh-My-God particle),它之所以有這樣一個名字,其實是因為它的速度實在是太快了,為方便描述,我們不妨將其簡稱為「OMG粒子」。

「OMG粒子」是猶他州大學的高分辨宇宙粒子探測器於1991年10月15日發現的,根據研究人員的測算,當它闖入地球大氣層的時候,其速度達到了驚人的

0.9999999999999999999999951倍光速,這是什麼概念呢?

這樣說吧,如果「OMG粒子」和一束光在真空中「賽跑」,那麼它飛1光年的距離,大概只比光慢0.15飛秒(0.00000000000000015秒)!如此高的速度使它的能量達到了3.2乘以10的20次方eV(註:eV即電子伏特),這大概相當於一個棒球以每小時100公里的速度飛行時所具備的動能。

「OMG粒子」為什麼會如此之快?這至今仍是未解之謎。從理論上來講,宇宙中的一些高能事件,是可以製造出像「OMG粒子」這樣的超高能量粒子的,然而科學家卻早已發現,在宇宙中存在著一種「GZK極限」,它會限制超高能量粒子在宇宙空間中的傳播速度。

要了解「GZK極限」是什麼,我們需要從宇宙的「微波背景輻射」講起,簡而言之,「微波背景輻射」可以認為是宇宙中最早的光,但因為光速的限制,它們現在仍然在宇宙空間中傳播,只不過由於宇宙的膨脹,現在的它們已經變成了微波。

從整體上來講,「微波背景輻射」是各向同性的,它們均勻地充斥在宇宙空間之中,平均每立方米大概就有4.11億個「微波背景輻射」的光子,如此巨大的數量就意味著,一個質子(或者其他的微觀粒子)在宇宙空間中穿行時,就會不可避免遇到這些光子。

對於一個質子來講,如果它的速度並不是很快,其能量也就不太高,那麼它就可以與「微波背景輻射」的光子彼此「相安無事」。

但假如它的速度非常快,以至於其能量超過了一個臨界值,那麼它就會與「微波背景輻射」的光子發生相互作用,並不斷地生成Π介子,速度越快,生成Π介子的速度也越快,這就會導致其能量急劇損失,速度也會迅速降低,而這樣的情況將一直持續到它的能量低於這個臨界值才會中止。

這個臨界值就被稱為「GZK極限」,其具體數值為5乘以10的19次方eV,與之相比,「OMG粒子」作為已知最快的質子,其能量卻高達3.2乘以10的20次方eV,所以它當然會受到「GZK極限」的限制,在穿越宇宙空間的過程中,其能量也會急劇損失,如此一來,它傳播不了多遠,其速度也就降下來了。

當然了,這種速度的降低是有一個過程的,假設「OMG粒子」的發射源距離地球比較近,它也能以高於「GZK極限」允許的速度抵達地球,進而被我們觀測到。

但問題是,在宇宙中能夠發射出像「OMG粒子」這樣的超高能量質子的發射源,只能是像超新星爆發、中子星碰撞、黑洞噴流這樣的高能事件,而它們是會在宇宙中製造很大的動靜的,即使隔著幾億、幾十億光年,我們都可以輕易地發現它們。

然而根據科學家的計算,一個能量超過「GZK極限」的粒子想要抵達地球,其發射源最遠也不能超過50百萬秒差距(1秒差距離約為3.26光年),但觀測數據卻顯示,在這個範圍之內,根本就沒有任何可以發射像「OMG粒子」這樣的超高能量質子的發射源,也就是說,從理論上來講,我們在地球上不可能觀測到速度如此之快的質子,但事實上,我們確實觀測到了

需要指出的是,「OMG粒子」其實並不是唯一,在過去的研究中,科學家已經觀測到不少與之類似的粒子,所以這就成為了一個悖論,科學家將其稱為「GZK悖論」,至今仍是未解之謎。就目前的情況來看,相關的研究仍然在進行之中,期待科學家在未來能夠找到答案。

文章來源: https://twgreatdaily.com/zh-cn/c5b7566885d58e53e3cb9a28034c394f.html