强子对撞机里的粒子接近光速,那么质量会不会变得接近无穷大?

世间万相归于空寂

离接近无穷大还远得很呢。

目前能量最高的强子对撞机是欧洲的LHC,可以把质子加速到光速的99.9999991%,根据爱因斯坦的狭义相对论,我们可以很容易地算出它的相对论质量:

大约是质子绝对质量的745倍。745个质子能有多重?和无穷大连边都挨不上!

不过人类曾经记录到的最快速度是一颗名叫“额滴个神啊”粒子,不知道来自何方,1991年10月,它带着巨大能量划过美国犹他州盐湖城西的沙漠,在夜空中留下了一道闪亮的光芒,美国的蝇眼宇宙射线探测器记录下了这一非同寻常的事件,观测器上它的亮度比月亮还亮。“额滴个神啊”粒子的能量是3×10^20电子伏特,速度达光速的99.99999999999999999999951%,是LHC全力加速后质子能量的4千万倍以上。那么这颗质子的相对论质量是多大呢?

很遗憾,我用科学计算器也算不出来了,根据网上查到的资料,它相当于一个质子就携带了一个时速达120公里的棒球的动能。如果让它和光一起穿过银河系,仅会落后5毫米;如果一颗小小的陨石以这个速度撞击地球,地球会马上气化成一团等离子体。但即使如此,它的质量也离接近无穷大还差得多得多得多!

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徐德文

根据狭义相对论,真空中的光速(c)是最快的速度,其大小被定义为299792458米/秒。没有静止质量(m0)的物体会以光速运动,比如光子和胶子。而有静止质量的物体不能达到光速,比如电子、质子或者火箭,这是因为它们的运动质量m与运动速度v之间存在如下的关系:

从上式中可以看到,当v→c时,m→+∞,这两个参数之间的关系图如下所示:

只有当物体的速度无限接近光速时,运动质量才会趋于无穷大。即便是当今地球上最为强大的粒子加速器——大型强子对撞机,目前也没有能力把粒子加速到无限接近光速。在大型强子对撞机全功率运转的情况下,它能够使质子(质量为1.67×10^−27千克)获得7 TeV的能量。那么,拥有这么多能量的质子会以多快的速度运动呢?

注意,这里不能使用经典物理学中的动能公式(Ek=1/2mv^2)来计算质子的速度,因为按照这个公式算出的质子速度是光速的122倍,这违背了狭义相对论。由于质子的速度很快,就需要考虑到相对论性质量带来的影响,此时对应的动能公式如下:

代入数据,可以计算出质子的速度为299792455.3米/秒,即0.999999991c。然后,再把这个速度代入运动质量公式可得,质子的相对论性质量为静止质量的7453.6倍,这远未达到无穷大的程度。

如果要使相对论性质量趋于无穷大,速度就需要无限趋于光速,但从相对论动能公式可以看出,这个前提是需要无穷多的能量,显然这是不可能的。可以想象,一个以趋近光速的速度运动的质子,具有极高的能量,这也意味着它将有极强的破坏能力。


火星一号

“加速器”这个概念是从历史上沿袭下来的,人类早期制造的粒子加速器能量都很低,低到将粒子加速后甚至不用考虑相对论效应。粒子经过那样的加速器加速后能够明显增加速度,故名“加速器”。

上图是回旋加速器的发明者劳伦斯,他手里拿着的就是他发明的回旋加速器。劳伦斯就是凭借发明了那个小东西获得了诺贝尔物理学奖。现在的加速器可以建造的很大,欧洲大型强子对撞机的周长达到了27千米。杨振宁、丘成桐、王怡芳等人争论要不要建造的加速器周长更是高达100千米。如果现在给加速器命名,它更可能被叫做“加质器”或“加能器”,因为它们明显改变的不是粒子的速度,而是粒子的质量或者能量

。你现在看到的加速器,往往只会告诉你能够将粒子的能量提高到多少。


质子的速度从光速的99.99%增大到光速的99.99………99%(100个9),速度变化并不大,但是需要的能量却是高的惊人,高到把整个宇宙都填进去也要差好多数量级。根据相对论的质量速度关系式,粒子被加速后,质量就会增大,质量增大了等效为能量增大了。粒子的能量不是无缘无故增大的,是加速器给它提供的能量。加速器能够给粒子提供的能量是有限的,粒子的能量不会趋于无穷大。

加速器早已不能明显提高粒子的速度了,但是提高粒子的能量或者质量还是有很大的空间。人类制造的加速器能够给粒子提供的能量还远远不及宇宙射线中一些粒子的能量,能量很高的宇宙射线是怎么来的还是一个未解之谜。


刁博

速度无限接近光速,质量就能无限接近无穷大,但很遗憾,速度永远达不到光速。这一点在狭义相对论中已经是明确指出了。


所谓强子对撞机,就是将粒子加速,然后相互冲撞,不过这里的粒子前提是:参与强相互作用的,且要带电,比如质子。

而现在强子对撞机,比如欧洲的LHC,可以将质子束加速到99.9999991%的光速,在这等速度下,粒子的质量已经变为原来的7454倍,这已经是最大功率了。

下图是狭义相对论的质速公式

其中C是光速,v是物体速度,我们可以看出,当物体速度越快,整个分母就越小,质量m就变的越大,但是速度不能超过光速。

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赛先生科普

如果按照爱因斯坦的理论,物质达到光速质量将变无穷大。也就是说物质越快,越接近光速质量就会越大。这样假设,如果宇宙真的存在暗物质,但却无法证实它的存在,但它的质量却是存在的。如果光在宇宙中穿梭,它的质量也就变得无穷大,难道它就是人类苦苦追寻的暗物质?


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