Question

宇宙中能量最高的粒子是什么？粒子的能量有没有极限？

Answer 1

关于粒子的能量，你可能会想到世界上最强大的粒子加速器（大型强子对撞机），它拥有着人类目前所创造的能量极限。但与宇宙相比人类所创造的能量就有点相形见绌了。所以要谈宇宙中粒子的最高能量和粒子的能量极限，我们就必须去外太空找找看。也就是我们常说的宇宙高能射线！那里就有宇宙中能量最高的粒子。
宇宙射线的发现 历史
在人类第一次离开地球进入太空之前，我们就已经知道了，外层空间充满了高能辐射。那么我们是咋知道的？

第一个线索来自于一个非常简单的实验，需要一个验电器，我们小学的时候都做过这个实验，也看到了同样的现象，但并没有引起我们的注意。

如果你给一个验电器加上电荷，验电器的两个叶片将获得相同的电荷，并因此相互排斥。其结果就是随着时间的推移，电荷会消散，两个叶片会闭合，这是为什么呢？难道是因为空气的原因？如果你把验电器放在一个真空的玻璃罩子里，验电器还是会慢慢放电。

事实上，即使你在真空的玻璃罩周围放置铅来进行屏蔽，还是会放电，20世纪早期的实验表明，如果验电器所处的位置越来越高，放电的速度就会越来越快。因此一些科学家提出了这样一种假设：放电之所以会发生，是因为来自外太空具有极强穿透力的高能辐射造成了放电现象。

因此，在1912年，维克多·赫斯（Victor Hess）在气球上进行实验，寻找高能宇宙粒子，很快就发现了大量的带电粒子，并成为宇宙射线之父。

早期的探测器非常简单：设置某种对带电粒子敏感的乳剂（或者后来的云室），并在其周围放置一个磁场。当带电粒子进来时，我们可以看到两件事情：

根据施加的磁场强度，然后根据粒子留下的轨迹曲线，我们就能知道粒子的速度和质量之间的关系。

在20世纪30年代，一系列实验无论是在早期的地球粒子加速器中，还是通过更复杂的宇宙射线探测器发现了一些有关宇宙射线的信息。首先，绝大多数的宇宙射线粒子（大约90%）是质子，而且能量范围很广，从几兆电子伏（MeV）一直到可以测量到的最高能量！剩下的绝大多数是α粒子，也就是两个质子和两个中子的氦原子核，它们的能量都不相上下！
宇宙射线中的极限能量为5×10^10 GeV
当这些宇宙射线到达地球大气层顶部时，高能宇宙射线与大气层发生相互作用，产生级联反应，并且生成大量的高能粒子，其中包括两种新粒子：正电子（保罗·狄拉克于1930年提出的电子的反物质版本，与电子质量相同，但带一个正电荷）和介子（一种不稳定的粒子，具有与电子相同的电荷，但重约206倍）。正电子是卡尔·安德森在1932年发现的，介子是他和他的学生赛斯·内德梅尔在1936年发现的。

最神奇的事情是，如果你把手伸出来并于地面平行，大约每秒钟就有一个μ子穿过你的手掌。

每一个通过你手掌的μ介子都起源于宇宙射线簇射，每一个到达地面的μ介子都是狭义相对论的证明！因为这些μ介子是在高度大约100公里的地方产生的，但一个μ介子的平均寿命只有2.2微秒左右。即使以光速（299,792.458千米/秒）移动，μ介子在衰变前也只能走660米。然而，由于时间膨胀，或者说从一个静止的外部观察者的角度来看，接近光速的粒子经历时间以较慢的速度流逝，这些快速运动的介子可以在衰变之前到达地球表面，而这正是地球表面μ介子的来源！

快进到今天，事实证明我们已经精确地测量了这些宇宙高能粒子的丰度和能谱！

能量在100 GeV及以下的粒子是目前最常见的，每秒钟大约有一个100 GeV的粒子（即10^11 eV）会撞击到我们所在区域的每平方米的横截面上。虽然高能量粒子仍然存在，但它们出现的频率要低得多。例如，能量达到10000000GeV（或10^16 eV）的粒子，每平方米每年只能得到1个这样的粒子，而对于能量最高的粒子，在5×10^10 GeV（或5×10^19 eV）时，就需要建造一个方形探测器，这个放形探测器每侧测量大约10公里的范围，每年只检测一个这样的高能粒子！更高能量的粒子基本上就探测不到了。
为什么宇宙射线中的高能粒子这么少呢？宇宙粒子的能量极限
因为宇宙射线的能量有一个截止值，也就是阈值！宇宙中的质子有一个速度限制，也就是光速！我们可以用磁场加速带电粒子，宇宙中最大、最活跃的黑洞可以产生能量比我们看到的高能粒子中携带的能量要大得多，也比我们加速器中所能提供的能量大的多。

但是高能粒子必须穿越宇宙空间才能到达我们地球，而宇宙中充满了大量冷的、低能量的辐射：宇宙微波背景！

宇宙中产生能量最高的粒子，唯一的地方是那些最大、最活跃的黑洞，所有这些黑洞都远在我们的星系之外。如果能量超过5×10^10 GeV（5×10^19eV）的粒子被黑洞创造出来，这些粒子最多只能携带超过阈值的能量旅行几百万光年，因为大爆炸留下的光子，会与超高能粒子相互作用，产生一个π介子(pion)，放射出多余的能量，并下降到理论上的宇宙能量极限，称为GZK极限。
宇宙中能量最高的质子，几乎与光速相当
皮埃尔·奥杰天文台证实了宇宙射线存在，但不可能超过的高能阈值，比大型强子对撞机达到的能量大1000万倍！这意味着我们所见过的宇宙中速度最快的质子几乎是以光速运动的，也就是299,792,458米/秒，但只是稍微慢了一点点。慢了多少呢?

最快的质子（就是能量在GZK极限阈值处的质子），以每秒299,792,457.9999999999918米的速度移动，或者如果你让一个光子和其中一个质子跑到仙女座星系然后回来，经过五百多万年的旅程，光子会比质子快六秒。具有能量阈值的质子来自拥有超大质量黑洞的活动星系，比如ngc1275，但这些黑洞往往在数亿甚至数十亿光年之外。

这就是宇宙射线的奇妙故事，包括宇宙中能量最高的粒子和宇宙能量的极限！

（首）任何物质的能量，包括微观粒子的能量，都是与所具备的质量相关连的，没有其它标准的高低划分。

若从释放能量的角度上讲，光子的传播速度最大，即按照光速运动。另外，引力子（若是存在的话）、电的传播速度也是光速。按照动能方程可知，以光速运动的粒子，其动量最大，为所蕴含能量E=mcc的一半。就是说，假设一个光子或一束光的动质量为m，那么按照爱因斯坦质能方程可知，所蕴含的能量就是mcc，而其中一半以动量的方式体现出来。而当一个光子撞击其它物体时，若没有反射、折射等，其理想的释放能量为mcc的一半，这是所有物质的最大的理想释放能。

在宇宙中能量最高的粒子是混合子，混合子只存在于宇宙的黑洞天体中。在混合子中几乎不会再有任何的空间存在，所以即混合子几乎就是实体粒子。