大型强子对撞机真的能将粒子加速到接近光速吗?有何意义?
可以接近光速,但是无法到达光速。其意义主要在于基础物理的研究。
关于大型强子对撞机的情况我们可以参考欧洲大型强子对撞机,它是目前世界上能量最大的粒子加速器,可以为质子提供7兆兆电子伏特的能量,质子在加速环中的速度可以达到光速的99.9999991%,一秒钟绕周长为27公里的加速器转11245圈,虽然看似这个速度只和光速差0.0000009%,但是这个微小的差距确实一个永远无法逾越的鸿沟,根据爱因斯坦的相对论我们知道,任何有静止质量的物质都是无法达到光速的,质子虽然微小,但是它也是有静止质量的,大约为1.6726231 × 10^-27 kg。
当质子的速度达到99.9999991%光速时,其质量会有一定的增加,我们可以通过狭义相对论的质速关系公式简单计算一下,在达到99.9999991%光速时质子的质量大约是1.× 10^-19kg,这已经增加了8个数量级,但是若要再将速度提高0.0000009%倍光速,哪怕整个宇宙的能量都加上也是不够用的。
为什么需要如此快的速度呢?这其实也是建造对撞机的意义。对撞机可以将两束质子分别加速到7万亿电子伏特的极高能量状态,使其对撞能量达到14万亿电子伏特,这种极高的能量密度状态和宇宙大爆炸之初的状态非常相似,质子在这种速度下碰撞会“粉身碎骨”,更微观的结构与物质可以呈现在科学家面前,通过研究这个过程科学家可以了解宇宙与物质的本质问题,包括质量的本质、暗物质、宇宙起源、反物质、额外维度等问题。
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