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科学|如果风的速度接近光速，被刮到会是怎样？

科学|如果风的速度接近光速，被刮到会是怎样？
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被刮到 ， 铁定是死了 。不过为了让人死得明白 ， 咱们得说下“接近光速的风”是啥概念 。先放结论：
当风的速度是光速的 0.999999991 倍时 ， 那这阵风中的质子的能量 ， 与 LHC 加速所产生的质子束相当 ， 也就是 7 TeV 。
其密度 ， 大概是 LHC 质子束的 10 的三次方以上 ， 也就是至少千倍于 LHC 对撞点位置的束流密度 。
被刮到会死 ， 但走得很安详 ， 安详到连渣都不剩 。
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基于北京正负电子对撞机 ， 所开发的高能阳电子枪
提到接近光速 ， 那就不得不提欧洲核子中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC） 。其中的质子束 ， 有着人类目前加速粒子达到的最大速度 ， 也就是光速的 99.9999991% 。然而 ， 只有速度是不够的 ， 为了对撞实验 ， 必须尽可能地将质子束聚拢 ， 增加其对撞时的密度 。只有这样 ， 才能确保有足够的质子发生碰撞 ， 产生人们感兴趣的新现象 。所以 ， 在所有的对撞实验中 ， 包括 LHC ， 有着各类聚焦磁铁 ， 将带电粒子聚集 ， 压缩束团的体积 。下图就是 LHC 的两束质子束流 ， 在碰撞点附近的尺寸变化 。最终 ， 束流的直径会被压缩到 64 微米 ， 大概是一根头发的直径 。
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LHC 中 ， 质子束流的在碰撞点（ATLAS 探测器中心）位置的尺寸变化
LHC 每 25 纳秒进行一次对撞 ， 其中每个束流有 10 的 11 次方量级的质子 。听起来是不是很致密的感觉？然而 ， 空气的摩尔体积是 22.4 升每摩尔 ， 一摩尔有 6.02 乘 10 的 23 次方 。换算一下 ， 就是每立方微米有 2.7 乘 10 的 7 次方个气体分子 。如果将束流的体积 ， 近似看作是 64 微米边长的立方体 ， 那以空气的密度 ， 在这个立方体中就会有 7 乘 10 的 12 次方个气体分子 。而空气的平均分子量是 28.8 ， 所以还要再乘上这个数值 。最终可以得出 ， 同样体积下 ， 空气有 10 的 14 次方量级的核子 ， 且更“可喜”的是 ， 风是持续的 。
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1000 个 7TeV 质子 ， 在 25 米深水柱中的能量沉积(在束流平面上的投影)
接下来 ， 咱们就从 LHC 的 7TeV 质子 ， 来聊下这阵风的能量有多可怕 。上图是我去年在 Geant4 模拟中 ， 得到的 7TeV 质子在水中的能量沉积 。可以看到 ， 7TeV 的质子并不能有效穿透 25 米深的水 。且在最初的 30 公分内 ， 其所沉积的能量 ， 约占总能量的 0.03% ， 也就是留下 GeV 级别的能量 。也就是说 ， 如果 LHC 的一束质子 ， 打在人身上 ， 大概有 0.03% 的能量会留下 。
这么说可能有的知友还是没有概念 ， 那我们换一种方式 。下面是对 LHC 质子束较为具象的表达[1]：Each beam contains 280 trillion protons with the combined energy of a high-speed train going 200 kilometers per hour, squeezed into a stream much thinner than a human hair. 每个束流有两千八百亿个质子 ， 其动能相当于一辆时速 200 公里的高速列车 ， 且被压缩到比人类的头发还要细小的尺寸 。
【科学|如果风的速度接近光速，被刮到会是怎样？】也就是说 ， 三千多个 LHC 质子束 ， 可以在头发丝截面大小的面积上 ， 留下 200 公里高速列车的动能 。巧了 ， 我们的接近光速的风 ， 其密度刚好就是千倍于 LHC 质子束 。假设被这阵风吹拂了一秒钟 ， 那相当于 ， 你的一个毛囊 ， 持续抵挡住时速 200 公里高速列车的四万六千八百四十二亿次撞击 。而且 ， 不幸的是 ， 你全身都是这样的毛囊 。


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