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今天看到环球时报报道,称日本科学家近日发现一种超高能宇宙射线,理论上仅1克就足以摧毁整个地球。吓了一跳,这什么东西,这么厉害,难道是在吹牛?

仔细看了看,说是来自日本NHK电视台的报道。2008年,日本、美国、俄罗斯等8国专家组成的国际科研小组,在美国犹他州沙漠中架设了一个望远镜阵列(The Telescope Array),由507组观测装置组成,覆盖了762平方公里的面积,先后观测到30多种高能宇宙射线。2021年5月,科研小组观测到一种超高能宇宙射线,能量高达2.44亿兆电子伏特,为有史以来能量第二高的宇宙射线,仅次于1991年发现的“Oh My God粒子”(3.2亿兆电子伏特)。研究人员参考日本神话中太阳女神的名字,将这个粒子命名为“天照粒子”。

Telescope Array是如何发现这个粒子的呢?原来高能宇宙射线进入大气层后,会与空气分子发生碰撞,生成一系列的次级粒子,通过探测这些粒子到达探测器的数目和时间,就可以推断出原始粒子的能量和到达方向。天照粒子当时触发了23个地面探测器,就像上图示意的那样。遗憾的是Telescope Array还有空气荧光望远镜,可以发现粒子簇射在大气中激发的荧光,当时却没有工作,不然这次发现的粒子参数精度可能更高。

很多人可能都知道“额滴个神啊”粒子,也就是前面说的“Oh My God粒子”,是有史以来发现的能量最高的粒子,也是在犹他州沙漠发现。看到报道,我还以为天照粒子比OMG粒子还厉害,都可以摧毁地球了,不知要厉害多少倍。这是显而易见的,因为众所周知,科学家们对“额滴个神啊”粒子的比喻是,这个粒子蕴含的能量相当于一个以100公里/小时的速度飞行的142克的棒球,还有一个比喻是一个一公斤重的物体从中高层建筑中落下的能量。

显然,100公里时速的棒球不可能摧毁地球,一公斤砖头从10多层楼上落下也摧毁不了地球,而这个天照粒子也确实落在了地球上,但地球也没有被摧毁啊?环球时报或日本NHK这是什么理论,1克这种粒子就能摧毁地球了呢?我们知道即使是1克反物质和物质发生湮灭,也只是把爱因斯坦E=mc^2的能量全部释放出来而已,也就是9x10^13焦耳,2.15万吨TNT当量,一颗长崎原子弹的威力。

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那是不是说这种粒子质量很轻,如果很多这些粒子冲向地球,比如达到了1克,具有相对论动能,就能摧毁地球了呢?

“Oh My God粒子”比天照粒子更强,其速度相当于0.999,999,999,999,999,999,999,9951倍光速,我用一个在线相对论动能计算器算了一下,1克这么快的物质,其动能是2.8x10^25焦耳。而要摧毁地球,碰撞的能量需要超过地球的引力结合能,也就是把地球上所有物质移到无穷远处所需要的能量,这个能量是多少呢?2.24×10^32焦耳,相差了1000万个数量级。

所以除非有1000万克,也就是1万公斤,10吨“额滴个神啊”这种粒子速度的物质冲向地球,才有可能完全摧毁地球。但1克也肯定够地球喝一壶的了,相当于5000万亿吨TNT爆炸,是白垩纪摧毁恐龙小行星释放能量的50倍。这样级别的灾难一旦发生,可能地球上所有的大型动物都没办法再活下来,包括人类。

所以这个所谓摧毁地球,要看你怎样说,如果是摧毁地球生命,那确实有可能,但离轰掉大气层或把海洋煮沸还差一个数量级(10^26焦耳),生命仍有可能恢复,重新开始演化。

我看了一下其他报道,对天照粒子的比喻,有一个比喻比较恰当,说这一个粒子所具有的能量,相当于保龄球落地时的能量,如果一个保龄球含有同比例的能量,那么其威力可能会摧毁地球上的所有生命,甚至毁灭地球本身。这个说法和我计算出来的摧毁地球生命是差不多的,只是不是1克,而是一个保龄球。

还有一个比喻说,这个天照粒子蕴含的能量,相当于一块砖头从人腰部的高度落下,如果砸中人的话,会发生些什么呢?朋友们可以讨论一下。

这项研究发表在11月23日《科学》杂志上。

论文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo5095