如果风的速度接近光速,被刮到会是怎样?


如果风的速度接近光速,被刮到会是怎样?

被刮到,铁定是死了。不过为了让人死得明白,咱们得说下“接近光速的风”是啥概念。先放结论:

  • 当风的速度是光速的 0.999999991 倍时,那这阵风中的质子的能量,与 LHC 加速所产生的质子束相当,也就是 7 TeV。

  • 其密度,大概是 LHC 质子束的 10 的三次方以上,也就是至少千倍于 LHC 对撞点位置的束流密度。

  • 被刮到会死,但走得很安详,安详到连渣都不剩。


如果风的速度接近光速,被刮到会是怎样?

基于北京正负电子对撞机,所开发的高能阳电子枪


提到接近光速,那就不得不提欧洲核子中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)。其中的质子束,有着人类目前加速粒子达到的最大速度,也就是光速的 99.9999991%。然而,只有速度是不够的,为了对撞实验,必须尽可能地将质子束聚拢,增加其对撞时的密度。只有这样,才能确保有足够的质子发生碰撞,产生人们感兴趣的新现象。所以,在所有的对撞实验中,包括 LHC,有着各类聚焦磁铁,将带电粒子聚集,压缩束团的体积。下图就是 LHC 的两束质子束流,在碰撞点附近的尺寸变化。最终,束流的直径会被压缩到 64 微米,大概是一根头发的直径。

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LHC 中,质子束流的在碰撞点(ATLAS 探测器中心)位置的尺寸变化

LHC 每 25 纳秒进行一次对撞,其中每个束流有 10 的 11 次方量级的质子。听起来是不是很致密的感觉?然而,空气的摩尔体积是 22.4 升每摩尔,一摩尔有 6.02 乘 10 的 23 次方。换算一下,就是每立方微米有 2.7 乘 10 的 7 次方个气体分子。如果将束流的体积,近似看作是 64 微米边长的立方体,那以空气的密度,在这个立方体中就会有 7 乘 10 的 12 次方个气体分子。而空气的平均分子量是 28.8,所以还要再乘上这个数值。最终可以得出,同样体积下,空气有 10 的 14 次方量级的核子,且更“可喜”的是,风是持续的。

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1000 个 7TeV 质子,在 25 米深水柱中的能量沉积(在束流平面上的投影)

接下来,咱们就从 LHC 的 7TeV 质子,来聊下这阵风的能量有多可怕。上图是我去年在 Geant4 模拟中,得到的 7TeV 质子在水中的能量沉积。可以看到,7TeV 的质子并不能有效穿透 25 米深的水。且在最初的 30 公分内,其所沉积的能量,约占总能量的 0.03%,也就是留下 GeV 级别的能量。也就是说,如果 LHC 的一束质子,打在人身上,大概有 0.03% 的能量会留下

这么说可能有的知友还是没有概念,那我们换一种方式。下面是对 LHC 质子束较为具象的表达[1]:

Each beam contains 280 trillion protons with the combined energy of a high-speed train going 200 kilometers per hour, squeezed into a stream much thinner than a human hair.
每个束流有两千八百亿个质子,其动能相当于一辆时速 200 公里的高速列车,且被压缩到比人类的头发还要细小的尺寸。


也就是说,三千多个 LHC 质子束,可以在头发丝截面大小的面积上,留下 200 公里高速列车的动能。巧了,我们的接近光速的风,其密度刚好就是千倍于 LHC 质子束。假设被这阵风吹拂了一秒钟,那相当于,你的一个毛囊,持续抵挡住时速 200 公里高速列车的四万六千八百四十二亿次撞击。而且,不幸的是,你全身都是这样的毛囊

这种瞬间挫骨扬灰的死法,可比琦玉老师的认真一拳,还要来得猝不及防。

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