三種能加速到接近光速的方式，你知道嗎？

一百年前日食觀測為愛因斯坦的廣義相對論提供了驗證。甚至在那之前，愛因斯坦就已經發展了狹義相對論，它徹底改變了我們理解光的方式。時至今日，它為理解粒子如何在太空中運動提供了指導——這是一個關鍵的研究領域，旨在保護航天器和宇航員免受異塵餘生。狹義相對論表明，光粒子即光子，在真空中以每小時670616629英裡（光速c約30萬千米每秒）的恆定速度運動——在那樣的環境中，這個速度很難達到，也不可能超過。

然而，在整個太空中，從黑洞到我們的近地環境，粒子實際上正在以令人難以置信的速度加速，有些甚至達到了99.9%的光速。NASA的研究之一是更好地理解這些粒子是如何加速的。研究這些超高速粒子，或相對論性粒子，最終可以幫助保護探索太陽系、前往月球的任務，它們還可以讓我們更多地了解銀河系鄰居：一個目標明確、接近光速的粒子可以在飛船上的電子設備上旅行，同時太多的粒子會在宇航員前往月球或更遠的地方時對他們產生負面異塵餘生影響。

有三種加速的方式：

1、電磁場

大多數將粒子加速到相對論速度的過程都是在電磁場中進行——這和冰箱上保持磁鐵的磁力是一樣。這兩種成分，電場和磁場，就像一枚硬幣的兩面一樣，以相對論的速度在宇宙中攪拌粒子。本質上，電磁場加速帶電粒子的運動，是因為帶電粒子在電磁場中感受到一種推動它們前進的力，類似於引力對有質量物體的引力。在適當的條件下，電磁場可以使粒子以接近光速加速。

在地球上，電場通常是專門利用在較小規模，以加快粒子在實驗室。粒子加速器，如大型強子對撞機和費米實驗室，利用脈衝電磁場將帶電粒子加速到光速的99.99999896%。在這樣的速度下，粒子可以被粉碎在一起，產生具有巨大能量的碰撞。這使得科學家能夠尋找基本粒子，並了解宇宙在大爆炸後最初幾秒內是什麽樣子。

2、磁重聯

磁場在太空中無處不在，環繞地球，橫跨太陽系。它們甚至能引導帶電粒子在空間中移動，而空間又繞著磁場旋轉。當這些磁場相互碰撞時，它們就會糾纏在一起。當交叉線之間的張力過大時，這些線就會發生爆發性的斷裂，並重新調整，這一過程被稱為磁重聯。一個地區磁場的快速變化會產生電場，從而導致所有伴隨而來的帶電粒子被高速拋出。科學家懷疑磁場重連是粒子加速到相對論速度的一種方式，例如太陽風，它是來自太陽的帶電粒子流。

這些高速粒子也會在行星附近產生各種副作用，磁場重連發生在離我們很近的地方，在那裡太陽的磁場推動地球磁層——保護磁場環境。當磁場重連發生在地球背向太陽的一側時，這些粒子就會被拋到地球的上層大氣中，並在那裡引發極光。NASA磁層多尺度宇宙飛船的設計和建造是為了專注於理解磁重聯所有方面。該任務使用四艘相同的航天器環繞地球飛行，捕捉磁重聯的動作。分析數據的結果可以幫助科學家理解粒子在地球和宇宙中以相對論速度運動時的加速度。

3、波粒相互作用

粒子可以通過與電磁波的相互作用而加速，這種相互作用被稱為波粒相互作用。當電磁波碰撞時，它們的磁場會被壓縮。帶電粒子在波之間來回彈跳可以獲得類似於球在兩個合並牆之間彈跳的能量。這些類型的相互作用不斷發生在近地空間，並負責加速粒子的速度，可以破壞太空飛船和衛星上的電子設備。NASA任務，比如范艾倫探測器，幫助科學家理解波粒相互作用。

波粒相互作用也被認為是加速一些來自太陽系外的宇宙射線的原因。超新星爆炸後，一層由壓縮氣體構成的熾熱致密外殼（爆炸波）從恆星核心噴發出來。這些氣泡中充滿了磁場和帶電粒子，波粒相互作用能以99.6%的光速發射高能宇宙射線。波粒相互作用也可能是加速太陽風和來自太陽的宇宙射線的部分原因。

博科園｜研究/來自：美國宇航局戈達德太空飛行中心

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