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GZK极限:质子的速度极限

科学探索万象经验2024-04-24

众所周知,光速是一道牢不可破的障碍,我们只能无限接近于它。狭义相对论并没有限制接近光速的程度,只要能获得足够的能量,就可以离光速更近一步。但是,还有另一个速度限制,那就是0.9999999999999999999998c,这个特定的数值专门适用于质子,被称为GZK极限。为什么质子不能比这个特定速度更快?要了解其中原理,我们先要从验电器讲起。

验电器是一种非常简单的设备,它由一个金属盘(球)和一个金属杆组成,在杆的末端有一对非常薄的金属箔,然后一个玻璃罩把一部分杆和金属箔罩住以提供绝缘体保护。该设备能够测量其金属盘或金属球捕获的总电荷:电荷会通过金属杆传到金属箔上,带电的金属箔会相互排斥而张开,张开的角度越大,带的电荷就越多。

如果我们先给验电器充电,那么我们就可以通过验电器来测量空气电离。如果空气中没有自由电荷,那么验电器将保留其电荷。如果空气中存在大量自由电荷,那么验电器会吸引缺失的电荷来中和自身,使金属箔张角变小。这种空气电离在19世纪就已经被测量到,但当时这种电离的原因尚不清楚,直到1896 年亨利·贝克尔发现辐射。

贝克尔发现某些元素(如铀),会衰变并发射可以产生空气电离的颗粒。但是,所有这些元素都在地面,预计空气的电离在靠近地面的地方会更大。因此,如果把验电器放在靠近地面的地方,它应该放电得更快。而在高一点的地方,放电的速度应该会较慢,因为空气电离应该随着高度而降低。

对于每一个理论,都需要一个实验证明,并且这个证明这非常容易。1909年,特奥多尔·沃尔夫(Theodor Wulf)试图测量埃菲尔铁塔顶部的电离。测量的结果是,这里的电离度比地面还低。然而,令他惊讶的是,这里的电离度比他预期的还要高。这种随着高度的增加电离度非常缓慢减少的情况,不能用来自地面的辐射进一步解释。

下一场关键的实验发生在1912年,维克多·赫斯(Victor Hess)在气球上放了两个验电器,并让其到达超过地面5公里的高度。随着高度的缓慢上升,电离度最初确实下降了。但令维克多惊讶的是,当气球的高度升至一定程度后,电离度竟然开始上升了,这证明有辐射来自天空。