2019-06-02 05:53:01
以接近光速行进的三种方式

一百年前的今天,即1919年5月29日,日食的测量为爱因斯坦的广义相对论提供了验证。甚至在此之前,爱因斯坦就已经发展了狭义相对论,它彻底改变了我们理解光的方式。直到今天,它还提供了关于理解粒子如何穿过太空的指导 - 这是一个关键的研究领域,以保持航天器和宇航员免受辐射。

狭义相对论表明,光子,光子的粒子以每小时670,616,629英里的恒定速度通过真空 - 这种速度极难实现,在这种环境下无法超越。然而,从黑洞到近地环境的所有空间,粒子实际上都被加速到令人难以置信的速度,有些甚至达到了光速的99.9%。

美国宇航局的工作之一就是更好地了解这些粒子是如何加速的。研究这些超高速或相对论的粒子最终可以帮助保护探索太阳系的任务,前往月球,他们可以更多地了解我们的银河系:一个目标明确的近光速粒子可以绊倒电子设备。许多人一旦到达月球或更远的地方,就会对航天飞行的宇航员产生负面辐射效应。

以下是加速发生的三种方式。

1.电磁场

大多数将粒子加速到相对论速度的过程都可以使用电磁场 - 这种力可以将磁铁保持在冰箱上。电磁场和磁场这两个组成部分,如同一枚硬币的两面,共同作用,在整个宇宙中以相对论的速度扫描粒子。

本质上,电磁场加速带电粒子,因为粒子感受到电磁场中的力,将其推向它们,类似于重力拉动物体的质量。在适当的条件下,电磁场可以近乎光速加速粒子。

在地球上,电场通常在较小的尺度上被特别利用以加速实验室中的粒子。粒子加速器,如大型强子对撞机和费米实验室,使用脉冲电磁场加速带电粒子,达到光速的99.99999896%。在这些速度下,颗粒可以被粉碎在一起以产生与巨大能量的碰撞。这使得科学家们可以在大爆炸之后的最初几分之一秒内寻找基本粒子并了解宇宙是什么样的。

2.磁爆

磁场遍布空间,环绕地球并跨越太阳系。它们甚至引导带电粒子在空间中移动,空间在场地周围旋转。

当这些磁场相互碰撞时,它们会变得缠结在一起。当交叉线之间的张力变得太大时,线条在称为磁性重新连接的过程中爆炸性地重新对准并重新对准。区域磁场的快速变化会产生电场,导致所有伴随的带电粒子以高速被抛弃。科学家怀疑磁性重新连接是粒子的一种方式 - 例如,太阳风,即来自太阳的恒定带电粒子流 - 被加速到相对论速度。

那些快速的粒子也会在行星附近产生各种副作用。在太阳的磁场推动地球磁层 - 其保护磁环境的地方,磁性重新连接发生在我们附近。当磁场重新连接发生在地球背向太阳的一侧时,粒子可以被投掷到地球的高层大气中,在那里它们会激发极光。磁性重新连接也被认为是对木星和土星等其他行星的负责,尽管方式略有不同。

NASA的Magnetospheric Multiscale航天器的设计和制造旨在专注于理解磁重联的各个方面。使用四个相同的航天器,任务飞行绕地球捕捉磁力重新连接。分析数据的结果可以帮助科学家了解地球周围和整个宇宙中相对论速度下的粒子加速度。

3.波粒相互作用

粒子可以通过与电磁波的相互作用加速,称为波粒相互作用。当电磁波碰撞时,它们的磁场会被压缩。带电粒子在波浪之间来回弹跳可以获得类似于在两个合并墙壁之间弹跳的球的能量。

这些类型的相互作用不断发生在近地空间,并且负责将粒子加速到可能损坏航天器和太空卫星上的电子设备的速度。美国宇航局的任务,如范艾伦探测器,帮助科学家了解波粒子相互作用。

波粒相互作用也被认为是加速一些源自我们太阳系外部的宇宙射线的原因。在超新星爆炸之后,一股被称为爆炸波的热的,致密的压缩气体壳从弹性核中弹出。充满磁场和带电粒子,这些气泡中的波粒相互作用可以以99.6%的光速发射高能宇宙射线。波粒相互作用也可能是加速太阳风和来自太阳的宇宙射线的部分原因。

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