關於粒子的能量，你可能會想到世界上最強大的粒子加速器（大型強子對撞機），它擁有著人類目前所創造的能量極限。但與宇宙相比人類所創造的能量就有點相形見絀了。所以要談宇宙中粒子的最高能量和粒子的能量極限，我們就必須去外太空找找看。也就是我們常說的宇宙高能射線！那裡就有宇宙中能量最高的粒子。

宇宙射線的發現歷史

在人類第一次離開地球進入太空之前，我們就已經知道了，外層空間充滿了高能輻射。那麼我們是咋知道的？

第一個線索來自於一個非常簡單的實驗，需要一個驗電器，我們小學的時候都做過這個實驗，也看到了同樣的現象，但並沒有引起我們的注意。

如果你給一個驗電器加上電荷，驗電器的兩個葉片將獲得相同的電荷，並因此相互排斥。其結果就是隨著時間的推移，電荷會消散，兩個葉片會閉合，這是為什麼呢？難道是因為空氣的原因？如果你把驗電器放在一個真空的玻璃罩子裡，驗電器還是會慢慢放電。

事實上，即使你在真空的玻璃罩周圍放置鉛來進行遮蔽，還是會放電，20世紀早期的實驗表明，如果驗電器所處的位置越來越高，放電的速度就會越來越快。因此一些科學家提出了這樣一種假設：放電之所以會發生，是因為來自外太空具有極強穿透力的高能輻射造成了放電現象。

因此，在1912年，維克多·赫斯（Victor Hess）在氣球上進行實驗，尋找高能宇宙粒子，很快就發現了大量的帶電粒子，併成為宇宙射線之父。

早期的探測器非常簡單：設定某種對帶電粒子敏感的乳劑（或者後來的雲室），並在其周圍放置一個磁場。當帶電粒子進來時，我們可以看到兩件事情：

粒子的質量

粒子的速度,

根據施加的磁場強度，然後根據粒子留下的軌跡曲線，我們就能知道粒子的速度和質量之間的關係。

在20世紀30年代，一系列實驗無論是在早期的地球粒子加速器中，還是透過更復雜的宇宙射線探測器發現了一些有關宇宙射線的資訊。首先，絕大多數的宇宙射線粒子（大約90%）是質子，而且能量範圍很廣，從幾兆電子伏（MeV）一直到可以測量到的最高能量！剩下的絕大多數是α粒子，也就是兩個質子和兩個中子的氦原子核，它們的能量都不相上下！

宇宙射線中的極限能量為5×10^10 GeV

當這些宇宙射線到達地球大氣層頂部時，高能宇宙射線與大氣層發生相互作用，產生級聯反應，並且生成大量的高能粒子，其中包括兩種新粒子：正電子（保羅·狄拉克於1930年提出的電子的反物質版本，與電子質量相同，但帶一個正電荷）和介子（一種不穩定的粒子，具有與電子相同的電荷，但重約206倍）。正電子是卡爾·安德森在1932年發現的，介子是他和他的學生賽斯·內德梅爾在1936年發現的。

最神奇的事情是，如果你把手伸出來並於地面平行，大約每秒鐘就有一個μ子穿過你的手掌。

每一個透過你手掌的μ介子都起源於宇宙射線簇射，每一個到達地面的μ介子都是狹義相對論的證明！因為這些μ介子是在高度大約100公里的地方產生的，但一個μ介子的平均壽命只有2.2微秒左右。即使以光速（299,792.458千米/秒）移動，μ介子在衰變前也只能走660米。然而，由於時間膨脹，或者說從一個靜止的外部觀察者的角度來看，接近光速的粒子經歷時間以較慢的速度流逝，這些快速運動的介子可以在衰變之前到達地球表面，而這正是地球表面μ介子的來源！

快進到今天，事實證明我們已經精確地測量了這些宇宙高能粒子的丰度和能譜！

能量在100 GeV及以下的粒子是目前最常見的，每秒鐘大約有一個100 GeV的粒子（即10^11 eV）會撞擊到我們所在區域的每平方米的橫截面上。雖然高能量粒子仍然存在，但它們出現的頻率要低得多。例如，能量達到10000000GeV（或10^16 eV）的粒子，每平方米每年只能得到1個這樣的粒子，而對於能量最高的粒子，在5×10^10 GeV（或5×10^19 eV）時，就需要建造一個方形探測器，這個放形探測器每側測量大約10公里的範圍，每年只檢測一個這樣的高能粒子！更高能量的粒子基本上就探測不到了。

為什麼宇宙射線中的高能粒子這麼少呢？宇宙粒子的能量極限

因為宇宙射線的能量有一個截止值，也就是閾值！宇宙中的質子有一個速度限制，也就是光速！我們可以用磁場加速帶電粒子，宇宙中最大、最活躍的黑洞可以產生能量比我們看到的高能粒子中攜帶的能量要大得多，也比我們加速器中所能提供的能量大的多。

但是高能粒子必須穿越宇宙空間才能到達我們地球，而宇宙中充滿了大量冷的、低能量的輻射：宇宙微波背景！

宇宙中產生能量最高的粒子，唯一的地方是那些最大、最活躍的黑洞，所有這些黑洞都遠在我們的星系之外。如果能量超過5×10^10 GeV（5×10^19eV）的粒子被黑洞創造出來，這些粒子最多隻能攜帶超過閾值的能量旅行幾百萬光年，因為大爆炸留下的光子，會與超高能粒子相互作用，產生一個π介子(pion)，放射出多餘的能量，並下降到理論上的宇宙能量極限，稱為GZK極限。

宇宙中能量最高的質子，幾乎與光速相當

皮埃爾·奧傑天文臺證實了宇宙射線存在，但不可能超過的高能閾值，比大型強子對撞機達到的能量大1000萬倍！這意味著我們所見過的宇宙中速度最快的質子幾乎是以光速運動的，也就是299,792,458米/秒，但只是稍微慢了一點點。慢了多少呢?

最快的質子（就是能量在GZK極限閾值處的質子），以每秒299,792,457.9999999999918米的速度移動，或者如果你讓一個光子和其中一個質子跑到仙女座星系然後回來，經過五百多萬年的旅程，光子會比質子快六秒。具有能量閾值的質子來自擁有超大質量黑洞的活動星系，比如ngc1275，但這些黑洞往往在數億甚至數十億光年之外。

透過NASA星際邊界探測器（IBEX），我們知道在外太空深處的宇宙射線大約是我們在地球周圍探測到的10倍，因為太陽的日鞘保護了我們免受絕大多數宇宙射線的傷害！雖然太陽有時脾氣也暴躁，但它確實是保護了我們的安全！

這就是宇宙射線的奇妙故事，包括宇宙中能量最高的粒子和宇宙能量的極限！

在宇宙中能量最高的粒子是混合子，混合子只存在於宇宙的黑洞天體中。在混合子中幾乎不會再有任何的空間存在，所以即混合子幾乎就是實體粒子。

（首）任何物質的能量，包括微觀粒子的能量，都是與所具備的質量相關連的，沒有其它標準的高低劃分。

若從釋放能量的角度上講，光子的傳播速度最大，即按照光速運動。另外，引力子（若是存在的話）、電的傳播速度也是光速。按照動能方程可知，以光速運動的粒子，其動量最大，為所蘊含能量E=mcc的一半。就是說，假設一個光子或一束光的動質量為m，那麼按照愛因斯坦質能方程可知，所蘊含的能量就是mcc，而其中一半以動量的方式體現出來。而當一個光子撞擊其它物體時，若沒有反射、折射等，其理想的釋放能量為mcc的一半，這是所有物質的最大的理想釋放能。

能量最高的粒子應該非黑洞莫屬！黑洞其實就是一個超巨型電荷怪獸。既能吃，又極不穩定。理論上黑洞的能量根本就沒有極限。