一百年前日食观测为爱因斯坦的广义相对论提供了验证。甚至在那之前，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。时至今日，它为理解粒子如何在太空中运动提供了指导——这是一个关键的研究领域，旨在保护航天器和宇航员免受辐射。狭义相对论表明，光粒子即光子，在真空中以每小时670616629英里（光速c约30万千米每秒）的恒定速度运动——在那样的环境中，这个速度很难达到，也不可能超过。
然而，在整个太空中，从黑洞到我们的近地环境，粒子实际上正在以令人难以置信的速度加速，有些甚至达到了99.9%的光速。NASA的研究之一是更好地理解这些粒子是如何加速的。研究这些超高速粒子，或相对论性粒子，最终可以帮助保护探索太阳系、前往月球的任务，它们还可以让我们更多地了解银河系邻居：一个目标明确、接近光速的粒子可以在飞船上的电子设备上旅行，同时太多的粒子会在宇航员前往月球或更远的地方时对他们产生负面辐射影响。
有三种加速的方式：
1、电磁场
大多数将粒子加速到相对论速度的过程都是在电磁场中进行——这和冰箱上保持磁铁的磁力是一样。这两种成分，电场和磁场，就像一枚硬币的两面一样，以相对论的速度在宇宙中搅拌粒子。本质上，电磁场加速带电粒子的运动，是因为带电粒子在电磁场中感受到一种推动它们前进的力，类似于引力对有质量物体的引力。在适当的条件下，电磁场可以使粒子以接近光速加速。
电场和磁场可以从粒子中增减能量，改变它们的速度。图片：NASA's Scientific Visualization Studio
在地球上，电场通常是专门利用在较小规模，以加快粒子在实验室。粒子加速器，如大型强子对撞机和费米实验室，利用脉冲电磁场将带电粒子加速到光速的99.99999896%。在这样的速度下，粒子可以被粉碎在一起，产生具有巨大能量的碰撞。这使得科学家能够寻找基本粒子，并了解宇宙在大爆炸后最初几秒内是什么样子。
2、磁重联
磁场在太空中无处不在，环绕地球，横跨太阳系。它们甚至能引导带电粒子在空间中移动，而空间又绕着磁场旋转。当这些磁场相互碰撞时，它们就会纠缠在一起。当交叉线之间的张力过大时，这些线就会发生爆发性的断裂，并重新调整，这一过程被称为磁重联。一个地区磁场的快速变化会产生电场，从而导致所有伴随而来的带电粒子被高速抛出。科学家怀疑磁场重连是粒子加速到相对论速度的一种方式，例如太阳风，它是来自太阳的带电粒子流。
（博科园-图示）巨大看不见的爆炸不断地在地球周围空间发生，这些爆炸是扭曲的磁场的结果，这些磁场突然断裂并重新排列，将粒子射向太空。图片：NASA's Goddard Space Flight Center
这些高速粒子也会在行星附近产生各种副作用，磁场重连发生在离我们很近的地方，在那里太阳的磁场推动地球磁层——保护磁场环境。当磁场重连发生在地球背向太阳的一侧时，这些粒子就会被抛到地球的上层大气中，并在那里引发极光。NASA磁层多尺度宇宙飞船的设计和建造是为了专注于理解磁重联所有方面。该任务使用四艘相同的航天器环绕地球飞行，捕捉磁重联的动作。分析数据的结果可以帮助科学家理解粒子在地球和宇宙中以相对论速度运动时的加速度。
3、波粒相互作用
粒子可以通过与电磁波的相互作用而加速，这种相互作用被称为波粒相互作用。当电磁波碰撞时，它们的磁场会被压缩。带电粒子在波之间来回弹跳可以获得类似于球在两个合并墙之间弹跳的能量。这些类型的相互作用不断发生在近地空间，并负责加速粒子的速度，可以破坏太空飞船和卫星上的电子设备。NASA任务，比如范艾伦探测器，帮助科学家理解波粒相互作用。
波粒相互作用也被认为是加速一些来自太阳系外的宇宙射线的原因。超新星爆炸后，一层由压缩气体构成的炽热致密外壳（爆炸波）从恒星核心喷发出来。这些气泡中充满了磁场和带电粒子，波粒相互作用能以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。
博科园｜研究/来自：美国宇航局戈达德太空飞行中心
发表于 2019-5-31 22:42
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