粒子加速器|人类创造的极限速度,仅比光慢3.6毫米/秒!加速器如何加速粒子?


粒子加速器|人类创造的极限速度,仅比光慢3.6毫米/秒!加速器如何加速粒子?
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粒子加速器|人类创造的极限速度,仅比光慢3.6毫米/秒!加速器如何加速粒子?
今天我们说速度 , 在我们生活的世界中有一个速度极限 , 那就是真空中光传播的速度 , 当人类在上世纪知道了这个基本原理之后 , 就一直试图想接近 , 甚至想超过这个极限速度 。
我们知道真空中的光速为每秒2亿9千9百7十9万2千4百5十8米 , 也就是我们常说的C , 这是宇宙中所有无质量粒子天生所具有的速度 , 除了光子以外 , 还有8个胶子 , 它们是传递强力的作用粒子 , 当然还有引力子 , 它们生下来都在以光速运动 。
不过可惜的是 , 构成世界万物的粒子并不是上面的这些玻色子 , 而是有质量的费米子 , 只要有质量 , 狭义相对论就限制它不能达到光速 , 更不能超过光速 , 原因也很简单 , 因为物理学不允许破坏现实的因果性 , 所以我们必须坚持光速极限这个基本原理 。
话虽这么说 , 但是我们还是想让有质量的费米子打破光速极限!相信你曾经有听过中微子超光速的报道 , 中微子的自旋是1/2 , 半整数 , 所以它是费米子 , 和电子一样是轻子家族中的一员 , 是我们目前所知质量最低的一个基本粒子 , 就连宇宙第二轻的电子比中微子都重了数十万倍 。
所以当时中微子超光速的报道一出来 , 震惊科学界 , 因为人们觉得中微子很小 , 它可能还真就超光速了 , 但后来发现这完全是一场热闹 , 是我们的实验数据搞差了 。
不过人类一直以来还是没有放弃过超光速的想法 , 虽然我们在自然界找不到超光速粒子 , 但我们在实验室还有一个强大的工具 , 粒子加速器 , 顾名思义 , 就是提高粒子速度或者是能量的一种设备 。
其实粒子加速器建造的目的并不是为了验证宇宙的速度极限 , 也不是为了打破速度极限 , 而是为了了解物质结构 , 寻找新粒子的大型设备 , 不过这个实验的过程也是我们人类创造极限速度的场所 。 那问题是我们是怎样通过加速器加速粒子的?
粒子加速器是怎样加速粒子的?
加速器也叫对撞机 , 最早的对撞机模型可以追溯到上世纪在曼彻斯特工作的卢瑟福 , 时间大约是1907年 , 这一年它用α粒子撞击金箔 , 观察了大量的α粒子被金原子散射以后的偏转的角度 , 通过这个实验 , 他知道了原子的质量绝大部分都集中在一个很小的核心里面 , 电子围绕这个核心运转 , 这是人类对原子结构最重要的一次探查 。
那么作为探针的α粒子是怎么来的?当时卢瑟福使用的α源是放射性镭元素 , 镭可以自然的释放出α粒子 , 速度大约为2.5×10?米/秒 , 约为光速的1/10 , 那么当时卢瑟福就使用这种速度的α粒子 , 就了解了原子的内部结构 。
但是随着科学的发展 , 人们想要了解原子内部的粒子结构 , 甚至是想知道这些粒子它本身内部的结构 , 那要怎么办?
很简单 , 现在有一辆汽车 , 你想要知道这个汽车内部的组成成分 , 只需要把它拆开看一下就行了 , 但是亚原子粒子很小 , 这么细的活我们干不了 , 所以有一个简单粗暴的办法就是把它撞碎 。 跟砸核桃一样 , 想看到里面的东西 , 就要把它敲开就可以了 。
但是由放射性原子释放出来的粒子 , 它的速度不行 , 撞不开原子核 , 更不可能把组成原子核的粒子撞碎 , 所以人们就想有没有什么办法能给带电粒子提提速?所以粒子加速器就出现了 。
那如何给带电粒子提速呢?这很简单 , 因为它带电 , 所以我们只需要给他提供一个电场就可以了 , 那电场又怎么来?也很简单 , 现在你把两个平行的金属板接到一个正负极上 , 也就是给施加一个电压 , 那么在金属板之间就会创造一个均匀的电场 。