Question

为什么宇宙速度极限低于光速

Answer 1

如果你想在宇宙中以最快的速度旅行，最好的办法就是将尽可能多的能量注入到你能找到的尽可能小的质量中。

当你逐渐增加你的粒子的动能和动量时，它在太空中的移动速度会更快，接近宇宙的极限速度：光速。

无论你设法将多少能量添加到所讨论的粒子中，你都只能让它接近光速--它永远也达不到光速。

由于宇宙中的总能量是有限的，但大质量粒子达到光速所需的能量是无限的，所以它永远不会到达光速。

但在我们现实生活中的宇宙，我们不能简单地给粒子提供任意数量的能量，我们也必须接受它们是在实际存在的空间中旅行，而不是我们想象中的完全、完美的真空。

虽然宇宙能够通过天然加速器(如中子星和黑洞)向粒子提供比我们在地球上所能提供的能量多得多的能量，但“空间真空”并不是一个完美的真空，这一事实远比我们通常愿意承认的要有限得多。

粒子的实际速度限制低于光速，而不是光速：这是由我们所说的GZK截止速度设定的。

这才是真正限制我们在太空中运动的原因。

任何穿越宇宙的宇宙粒子，无论速度或能量如何，都必须与大爆炸遗留下来的粒子的存在作斗争。

有两个事实结合在一起，告诉我们现实并不像牛顿直觉中的那么简单。

这些事实是：

快速穿越宇宙的粒子主要是质子、电子、较重的原子核，偶尔也有正电子或反质子。

所有这些粒子，在地球上和太空中都可以作为宇宙射线探测到，它们都是带电的。

光存在于许多不同的来源，包括恒星、星系，甚至大爆炸本身，它是一种电磁波，很容易与带电粒子相互作用。

虽然即使是今天的现代物理学家通常也会自动默认牛顿式的思维，但我们必须谨慎地认为，事物仅仅是在宇宙中移动的质量，只有其他粒子和场施加在它们身上的力才会加速它们的运动。

相反，我们必须记住，宇宙是由物理量子组成的：具有波和粒子属性的单个能量包，这些量子，除非被特别禁止这样做，否则总是会相互作用。

X射线、光学和红外数据的组合揭示了蟹状星云核心的中心脉冲星，包括脉冲星关心的周围物质的风和流出。

脉冲星是众所周知的宇宙射线发射者，但宇宙射线本身并不是简单地在太空真空中畅通无阻地传播。

太空并不是一个完美的真空，粒子在其中穿行时必须认真对待它们遇到的一切。

大爆炸留下了很多东西，包括：

星辰。

燃气。

灰尘。

行星。

恒星身体。

然而，我们刚才列出的所有项目只占宇宙中存在的物质总能量预算的2%到2.5%：仅为正常物质的一半左右。

太空中还有暗物质、暗能量、中微子、光子和稀疏的、电离的等离子体，最后一种被称为奇想：温热的星际介质。

然而，阻碍带电粒子在宇宙中自由移动的最大障碍，实际上是所有这些中能量最低的部分：光子，即大爆炸遗留下来的光粒子。

虽然单个星系内有丰富的星光，但宇宙中有些地方--比如遥远的星际空间深处--唯一存在的实质性量子是大爆炸遗留下来的光子：宇宙微波背景辐射(CMB)。

即使在今天，在我们的宇宙中，半径被膨胀和冷却到461亿光年的地方，每立方厘米的空间中仍然有大约411个CMB光子，平均温度为2.7K。

当宇宙粒子穿越星际空间时，它们无法避开大爆炸遗留下来的光子：宇宙微波背景。

一旦宇宙粒子/光子碰撞产生的能量超过一定的阈值，宇宙粒子将开始损失能量，这是动量中心框架内能量的函数。

现在，让我们想象一下，我们有一个天然的粒子加速器，比如中子星或黑洞，它产生了地球上闻所未闻的电场和磁场。

在这些极端环境中，数百万倍于地球质量的空间存在于直径不超过几公里的空间中。

这些天体物理位置通常可以获得比地球实验室产生的最强电磁场强数百万倍、数十亿倍甚至数万亿倍的场强。

任何被这些物体加速的粒子都将被送到宇宙中进行一次极端相对论的旅行，在那里它将不可避免地遇到各种各样的粒子。

但它尤其会遇到所有粒子中数量最多的粒子：存在的CMB光子。

重要的是，无论粒子和光子的相对能量是多少，带电粒子和光子相互作用的可能性总是存在的。

在这张艺术渲染图中，一颗耀斑正在加速产生质子的质子，这些质子产生中微子和伽马射线。

光子也会产生。

这样的过程可能是所有宇宙粒子中能量最高的产生的原因，但它们不可避免地会与大爆炸遗留下来的光子相互作用。

如果没有其他粒子--如果我们能激活我们对空宇宙的“玩具”设想--粒子只是在直线上畅通无阻地行进，直到到达目的地--我们可以想象，只有这些天体物理环境的场强才会限制粒子所能拥有的总能量。

在它移动的方向上施加一个强大的电场，它就会走得更快，变得更有活力。

事实上，你会认为这根本不会有任何限制。

如果宇宙是这样运作的，你会认为粒子会有某种能量分布：大量粒子能量较低，少数离群点粒子能量较高。

当你观察越来越高的能量时，你会不断地发现粒子，但它们的数量会越来越少。

这条线的斜率可能会随着各种物理过程在某些能量下变得重要而改变，但你不会指望粒子会简单地在某些能量下停止存在；你只会认为它们的数量会越来越少，直到你达到你能检测到的极限。

用于描述宇宙线簇射特征的地面探测器阵列的图示。

当高能宇宙粒子撞击大气层时，它们会产生一连串的粒子。

通过在地面上建立大量的探测器阵列，我们可以将它们全部捕获，并推断出原始粒子的性质。

今天，我们最好的现代宇宙线观测站包括大型地面探测器，它们捕获两个主要信号：

粒子簇射，可通过一系列大面积探测器进行识别，例如皮埃尔·奥格天文台使用的探测器。

切伦科夫辐射探测器，它捕捉空气介质中超过光速的快速运动粒子产生的“蓝光”(也包括紫外光)的特征辉光，如HAWC望远镜。

在大气层的顶端，宇宙射线粒子撞击地球边缘的离子、分子和原子。

通过一系列的连锁反应，它们产生了我们所说的“子粒子”，在某种意义上，它们都是最初影响我们的宇宙射线的直系后代。

当我们探测到足够多的子粒子(换句话说，它们的子粒子)到达地球表面时，我们就可以重建撞击我们的宇宙射线的初始能量和性质。

事实上，我们确实注意到，低能粒子的数量比高能粒子多得多，而且在图表中有一些“怪点”，某些天体物理现象突然变得重要起来，但似乎也有一个分界点：在一个点上，看起来没有粒子存在于特定能量之上。

最高能量宇宙射线的能谱，由探测到它们的合作者提供。

从一个实验到另一个实验，结果都非常一致，并显示在~5x10^19 eV的GZK阈值处有显著的衰减。

尽管如此，许多这样的宇宙射线超过了这个能量阈值，这表明这幅图并不完整。

是什么导致了这一分界线的存在呢？

这就是宇宙微波背景的想法发挥作用的地方。

记住：光是电磁波，它与带电粒子相互作用。

在低能量下，这只是汤姆逊或康普顿散射：带电粒子和光子交换能量和动量，但几乎不发生其他情况。

重要的是，这是一种从快速运动的粒子中窃取能量的极其低效的方法，即使是在高能的情况下也是如此。

但是，一旦你的粒子达到一定的能量-对于质子来说，最常见的宇宙射线类型是~1017电子伏特-光子对宇宙粒子来说似乎能量足够大，有时它们的行为就像它们实际上是由电子-正电子对组成的。

在动量中心框架中，质子认为光子的能量略高于1兆电子伏特，而其典型的CMB值约为200微电子伏特。

重要的是，通过爱因斯坦著名的E=mc2，这些能量足以产生电子-正电子对。

一旦宇宙射线像质子一样开始与电子和正电子碰撞，而不仅仅是光子，它们释放能量的速度就会快得多。

每次宇宙线与电子或正电子碰撞时，原始宇宙线都会损失约0.1%的原始能量。

尽管带电粒子和光子之间可能存在许多相互作用，但在足够高的能量下，这些光子可以表现为电子-正电子对，这可以比简单的光子散射更有效地耗尽带电粒子的能量。

然而，即使宇宙粒子旅行了数百万光年或数十亿光年，这也不足以对粒子拥有的总能量设置硬性限制；它应该只是将探测到的能量丰度降低到~1017 eV以上。

然而，应该有一个上限，当动量中心的能量上升到足够高的时候，通过E=mc2：π介子，可以产生一个能量更高的粒子，这个上限就是设定的。

特别值得一提的是，中性π介子(π0)需要约135兆电子伏特的能量才能产生，它将耗尽每个宇宙射线质子约20%的能量。

因此，对于任何超过产生中性介子的临界能量阈值的质子，在与CMB光子的相互作用将其拖到那个能量截止点以下之前，应该只允许它存在一段很短的时间。

对于质子，极限能量为~5 1019电子伏特。

这个能量值的截止值被称为GZK截止值，这是以三位最早计算和预测GZK的科学家的名字命名的：肯尼思·格雷森(Kenneth Greisen)、乔治·扎塞平(Georgiy Zatsepin)和瓦迪姆·库兹明(Vadim Kuzmin)。

高能宇宙射线的事故率与其探测到的能量之比。

如果CMB光子与质子碰撞产生π的阈值是一个真正的极限，那么在标有“372”的点右边的数据中就会有一个“悬崖”。

这些极端宇宙射线的存在表明一定有什么不对劲。

然而，当我们将能量截止位置的预测值与实际观察到的能量截止位置进行比较时，我们会大吃一惊。

尽管记录到的宇宙射线数量在预期截止点以上出现了极其严重的下降，但已经有数百起事件被证实超过了这一能量。

事实上，它们的最大观测能量约为5 1020电子伏特--大约是预期“最大”值的10倍。

此外，它们与可疑的附近来源(如已识别的中子星或超大质量黑洞)没有关联，也没有聚集在一起。

它们似乎来自随机的方向，但能量超过了预期的最大限度。

这怎麽可能？

这是否意味着宇宙在某种程度上是“破碎的”？

在它们之间发现的各种原子核的宇宙射线光谱。

在所有存在的宇宙射线中，99%是原子核。

在原子核中，大约90%是氢，9%是氦，加起来约1%是其他所有元素。

铁是原子核中最稀有的一种，它可能构成所有原子核中能量最高的宇宙射线。

在你开始思考像“爱因斯坦的相对论是错误的”这样的离奇解释之前，有必要记住一些重要的事情。

大多数宇宙射线都是质子。

然而，它们中有一小部分是较重的原子核：氦、碳、氧、氖、镁、硅、硫、氩、钙，一直到铁。

但是，虽然氢是最常见的单个质子的原子核，但铁的质量通常是它的56倍，有26个质子和30个中子。

如果我们认为最高能量的粒子可能是由这些最重的原子核组成的，而不仅仅是质子，那么悖论就消失了，GZK的“速度极限”仍然完好无损。

虽然在1991年发现了第一个超过GZK极限的粒子是相当令人惊讶的-如此令人惊讶以至于我们将其命名为哦-天-天-粒子-我们现在明白了为什么这是可能的。

宇宙射线没有能量限制，而是速度限制：大约是光速的99.99999999999999999998%。

你的粒子是只由一个质子组成，还是由多个质子和中子结合在一起并不重要。

重要的是，在这个临界速度以上，与大爆炸遗留下来的光子的碰撞将产生中性介子，这会导致你迅速损失能量。

在几次碰撞之后，你将被迫降到那个临界速度以下，这与观测和理论都是一致的。

这些图表显示了来自皮埃尔·奥格天文台的宇宙射线光谱与能量的函数关系。

你可以清楚地看到，在能量为~5x10^19 eV(对应于GZK截止值)之前，该函数或多或少是平滑的。

除此之外，粒子仍然存在，但丰度较低，这可能是因为它们是较重的原子核。

的确，没有任何大质量粒子能够达到或超过光速，但这只是理论上的。

在实践中，你必须移动大约60毫微米-每秒比光速慢，否则与大爆炸遗留下来的光子的碰撞将自发产生大质量粒子-中性粒子-这会迅速导致你释放能量，直到你的旅行速度低于略有限制的速度限制。

此外，最精力充沛的也不会比正常速度快。

它们只是质量更大，它们的动能分布在几十个粒子上，而不是一个质子。

总体而言，粒子不仅无法达到光速，而且如果太接近光速，甚至无法保持其速度。

宇宙，特别是大爆炸遗留下来的光，确保了它的存在。