“能量是被解放的物質，物質是等待發生的能量。”——比爾·布萊森

我們人類目前保持的能量記錄是在世界上最大的粒子加速器，比如SLAC、費米實驗室和大型強子對撞機中創造出來的。但我們在地球上所做的一切與自然宇宙本身毫無關係！今天要說的問題是：如果存在無限的能量，是否可以將粒子加速到超光速？

在大型強子對撞機中兩個質子發生著14TeV的碰撞，這是人類所創造的最高能量的粒子，但這個能量在宇宙面前只能望其項背。那麼宇宙的最高能量粒子在哪裡？其實就在我們頭頂，因為地球正一直不斷地受到這些高能粒子的轟擊。

如果你以前從未聽說過這件事，但我相信你看過《神奇四俠》，它把裡德·理查茲（Reed Richards）宇宙飛船上的四位科學家變成了神奇四俠（Fantastic four）。它就是宇宙射線，以其虛構的效應而聞名於世。

我們不需要進入太空，甚至不需要任何形式的高空檢測，就能知道這些高能粒子的存在。甚至在人類第一次離開地球表面之前，就已經知道了在地球大氣層的保護之下，外層空間充滿了高能輻射。那當時的人們是怎麼知道的？

第一個線索來自於一個最簡單的電學實驗，涉及到一個驗電器。它是一個特別簡單的裝置：有兩片薄薄的導體（金屬箔）。通過給金屬箔來檢驗是否有電荷存在。

如果我們給金屬箔加上電荷，兩個葉片將獲得相同的電荷，並因此相互排斥。隨著時間的推移，電荷會緩慢的消散。那麼問題是電荷去哪了？當時人們考慮可能是空氣存在的原因，於是就把驗電器至於真空環境中，再次進行實驗。

而驗電器還是慢慢放電！於是人們就在處於真空環境中的驗電器周圍用鉛塊進行遮蔽外界的一切影響，它仍然會放電，這讓人產生了些許的困惑，但20世紀早期一個更加深入的實驗給了我們一個線索，為什麼？如果我們去越來越高的地方做這個實驗，放電現象會發生得更快。當時就有一些科學家提出了這樣的假設：放電是由於高能輻射造成，這種輻射具有極強的穿透力，也就是說少量的鉛塊遮蔽不住，而且這種高能輻射來自外星。

搞科學的人就是有新想法、有新理論的提出，就要想辦法用實驗去驗證這個新假設！於是在1912年，維克多·赫斯（Victor Hess）就用實驗去尋找這些所謂的高能宇宙粒子，用氣球將探測器帶到高空進行實驗，很快發現了大量的宇宙粒子，並由此被後人稱為：宇宙射線之父。

維克多所用的探測器很簡單：首先是對可以讓帶電粒子顯示飛行痕跡的一種示蹤劑（或者後來的雲室），然後在示蹤劑周圍加上磁場。我們知道帶電粒子會在磁場的作用下發生偏轉，而示蹤劑又能顯示出粒子在磁場下飛行的軌跡，根據粒子的飛行軌跡以及設定磁場的強度，我們就能算出：粒子的電荷品質比、及其速度。

在20世紀30年代，人們通過一些更復雜的探測器發現，宇宙射線中的大約90%粒子是質子，其所包含的能量範圍很廣泛，最低只有幾兆電子伏（MeV），到最高5×10^10 GeV的能量！剩下的10%基本上是阿爾法粒子，也就是氦原子核，其與質子的能量相當。但速度肯定要慢的多，因為阿爾法粒子更重。

當宇宙射線轟擊地球大氣層頂部時，會與大氣層中的空氣分子發生碰撞，產生級聯反應，意思就是每一次相互作用的產物都會導致隨後與新的大氣粒子的相互作用，跟連鎖反應一樣。最終結果是產生了所謂的高能粒子簇，同時也產生了兩個新粒子：正電子以及μ介子。

最神奇的事情之一是：即使我們身處在地球表面，如果你伸出手掌，每秒鐘就大約有一個μ子穿過你的手掌。

高能粒子簇創造了這些μ子，而這些μ子也證明了狹義相對論的正確性！這些μ子在大氣層100公里處產生，其平均可以存活2.2微秒就會發生衰變！2.2微秒的壽命即使以光速移動，也只能前進660米。然而，由於時間膨脹的原因，接近光速的粒子時間流逝就會減慢，因此μ子在我們外部的觀察者看來壽命就會增加，在衰變之前足以到達地球表面！

在今天，我們已經有更好的探測器可以更加精確地測量宇宙射線中高能粒子的丰度、及其能量譜！

宇宙射線中所包含的粒子，其能量大多集中在100 GeV及其以下，我們所在的區域，每平方米每秒鐘大約就會受到一個100 GeV粒子（即10^11 eV）的撞擊。當然更高能量的粒子也有，但它們出現的頻率非常低。

比如，在10,000,000 GeV（或10^16 eV）能量下的粒子，在一個平方米每面只能檢測到1個此能量下的粒子，而對於最高能量的粒子，能量在5×10^10 GeV（或5×10^19 eV)），就需要建立一個邊長在10公里的方形探測器，一年只能發現一個這樣的粒子。

這時你可能會想為什麼宇宙射線中高能粒子這麼少？而更高能量的粒子就已經基本檢測不到了？難道宇宙中所能提供的能量就是這樣？其實不是的，我們的大型強子對撞機可以給質子提供7Tev的能量，就可以將其加速到99.999999的光速，但宇宙中最大、最活躍的黑洞所提供的磁場強度是人類所能創造的1億倍，而且其吸積盤更是比大型強子對撞機的環形跑道要大的多。那為什麼宇宙射線中的能量沒有達到一個驚人的數值？而質子的速度也沒超過光速？

因此我們猜測：宇宙射線的能量應該有一個截止值（閾值），宇宙也有一個速度限制！這些質子必須穿越巨大的宇宙空間才能到達地球，而宇宙並不是空的，它充滿了大量的低能冷輻射：宇宙微波背景！

宇宙射線的誕生地一般都在距離我們遙遠的黑洞。如果高能粒子被創造出來時其能量超過了5×10^10 GeV，它最多隻能以更高的能量向前行進幾百萬光年，因為大爆炸遺留下來的光子會與它發生作用，使其產生一個π介子，創造出新粒子，肯定就會消耗能量，知道使得高能粒子的能量下降到理論上的宇宙能量極限，即所謂的GZK極限。

因此，我們建造了一個大得離譜的探測器，目的就是想看宇宙射線是否存在這樣的能量限制！

總結：就算可以提供無限的能量，但粒子也不會超過GZK極限

認識一下位於阿根廷的皮埃爾·奧格天文臺，佔地3000平方公里，其證實了宇宙射線確實存在可以達到但不會超過的高能閾值，這個能量閾值比人類目前創造的能量高了1000萬倍！這也意味著宇宙中能量最好的質子，也就是能量在GZK極限極限的質子，幾乎在以和光速無法區分的速度運動（299,792,458米/秒），只比光子稍微慢了一點點。

宇宙中速度最快的質子（能量在GZK極限的質子）以每秒299,792,457.999999999999918米的速度移動，其與一個光子賽拍500萬光年只會比光子滿6秒到達目的地！這些超高能量的宇宙射線一般來擁有超大品質黑洞的活動星系，比如ngc1275，這些比較大、比較活躍的星系一般距離我們有數億或數十億光年的距離。

通過美國國家航空航天局的星際邊界探測器(IBEX)，我們發現太陽系外的宇宙射線是地球上和地球周圍宇宙射線的10倍，因為太陽的日鞘阻擋了大多數的宇宙高能粒子。這跟我們的地球磁場阻擋太陽風粒子原理是一樣的。

從理論上講，在宇宙空間宇宙射線的碰撞無處不在，因此，我們說宇宙本身就是終極的大型強子對撞機：其能量比我們在地球上創造的能量高出一千萬倍。