Вы когда-нибудь задумывались, почему Большой адронный коллайдер (БАК), самый мощный в мире ускоритель частиц, не может заставить частицы двигаться быстрее света? В конце концов, он может столкнуть протоны с колоссальной силой в 13 тераэлектронвольт (ТэВ), что примерно в 0,99999999 от скорости света в вакууме. Это довольно близко, но недостаточно, согласно специальной теории относительности.
Теория Эйнштейна говорит нам, что ничто не может двигаться быстрее света в вакууме, что составляет около 300 000 километров в секунду.
Только безмассовые частицы, такие как фотоны, могут достичь этого конечного предела скорости. Но протоны, как и всякая материя, имеют массу. А масса — штука хитрая, когда дело доходит до скорости.
Видите ли, масса и энергия — это две стороны одной медали, как прекрасно показал Эйнштейн в своем уравнении E=mc^2 .
Это означает, что чем больше энергии вы отдаете объекту, тем большую массу он приобретает. И чем больше у него масса, тем труднее разогнаться.
Это как пытаться толкать велосипед весом в грузовик. Вам нужно больше силы, чтобы сдвинуть грузовик с места.
Чтобы массе достичь скорости света, ей нужно передать бесконечное количество энергии, а это невозможно.
По мере того, как скорость протона приближается к скорости света, его масса увеличивается, а длина сокращается, и толкать его становится все труднее и труднее.
В конце концов вы достигаете точки, когда сколько бы энергии вы ни вкладывали в протон, протон не будет двигаться быстрее. Он застрял на максимальной скорости, которая всегда меньше скорости света.
Изменяются не только масса и длина протона, но и его время.
Само время замедляется для протона, когда он приближается к скорости света. Это называется замедлением времени и означает, что с точки зрения протона все остальное во Вселенной движется быстрее, чем обычно.
Таким образом, даже если бы протон каким-то образом смог достичь скорости света, он также достиг бы состояния, в котором время для него останавливается. И это не очень весело.
LHC спроектирован таким образом, чтобы свести к минимуму любые помехи пучкам частиц, которые состоят из миллиардов протонов, движущихся в противоположных направлениях по 27-километровому кольцу.
Кольцо находится в вакууме, поэтому нет молекул воздуха, с которыми можно было бы столкнуться. Кольцо также окружено мощными магнитами, которые направляют и фокусируют лучи к четырем точкам столкновения, где они сталкиваются друг с другом и создают новые частицы.
Однако даже в вакууме остаются молекулы газа и рассеянные фотоны, которые могут взаимодействовать с протонами.
Эти взаимодействия могут привести к тому, что некоторые протоны потеряют энергию или немного изменят направление, что приведет к снижению качества и интенсивности лучей.
Чтобы предотвратить это, БАК использует специальные устройства, называемые коллиматорами и поглотителями пучков, чтобы поглощать или отклонять любые нежелательные частицы до того, как они достигнут детекторов.
