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假如一個波長接近普朗克長度的光子出現在人身上會怎樣?

2020-06-08科學

想要標題黨的回答?來 給你。

一個波長為普朗克長度的光子能量為 120億 焦耳, 相當於3000公斤TNT!

這麽大的能量釋放在人身上,肯定直接見上帝了。

看看這個能量是怎麽算的。

光子的能量公式為 E = h\nu = hc/\lambda 。其中普朗克常數 h = 6.62607004 \times 10^{-34} ~\mathrm{m^2 kg / s} ,光速 c = 2.99 792 458 \times 10^8 ~\mathrm{m / s} 。將普朗克長度 \lambda = 1.616255\times10^{−35} ~\mathrm{m} 帶入,可得:

E = 1.2\times10^{10} ~\mathrm{J}

而一公斤 TNT 大概釋放 4兆焦耳 能量。

高能粒子物理領域習慣用電子伏特eV的單位來表示粒子能量。 1\mathrm{eV} = 1.6\times10^{-19}~\mathrm{J} 。所以這個光子的能量可以表示為:

E = 7.5\times10^{28}~\mathrm{eV} = 7.5\times10^{16}~\mathrm{TeV}

這個光子的能量是多高呢?

人類迄今探測到的最高能量的宇宙Gamma射線為 450 TeV,來自超新星爆發的蟹狀星雲,在中國西藏羊八井ASgamma實驗陣列探測到的,文章於2019年發在了PRL上 [1] 。相比於這個這個光子能量低了1.6兆億倍!

但是,打在人身上會怎麽樣?

幾乎什麽都不會發生。

3000公斤TNT的能量要打在人身上什麽都不會發生?

這是因為要想讓這些能量發揮作用的前提是你得能把它吸收了。換句話說,你得能把這個高能光子停下來。而你不可能把它停下來。所以它也就瞬間穿透了人體,不留一點痕跡。

多扯一下。光子打到人身上能夠發生很多過程,導致光子的能量傳遞給人體內的粒子。比如被人體內的原子吸收變成原子振動的熱量,或者激發電子的能階躍遷,又或者打出奧杰電子等等。

我們可以計算一束高能光子被介質阻擋後的透過率。

T(E) = e^{-\mu(E)d}

d 為介質的厚度, \mu(E) 為對於特定能量 E 和特定材料的衰減系數,可從美國國家標準局NIST網站上查到 [2] 。不想自己寫程式算的話,柏克萊實驗室提供了線上計算程式 [3]

範例,能量為1-30keV的X射線在厚度1公釐的塑膠mylar膜的透過系數:

同樣也可以算下 X-ray 在特定材質中的沈積深度「attenuation length」。這裏材質我選用水「人體的密度還略低於水」,看下能量最高為1-30keV「線上軟體最高只能算到30keV」的光子在水中的沈積深度曲線:

30keV光子對應的沈積深度就已經達到了3厘米。而且這個曲線明顯是隨能量指數上升。

30keV 和「普朗克光子「能量 7.5\times10^{16}~\mathrm{TeV} 差了24個數量級。那麽可想而知得需要多厚的人體才能擋住這個光子。

所以更高能量的「普朗克光子」穿透人體豈不是輕而易舉。

或許你可能會說,這麽高的光子能量跟一個很低能量的光子,比如人體的熱放射線,就能發生 光子光子對撞 從而生成正負電子對,甚至強子對。次級的粒子會不會對人體造成淪陷性傷害?

關於光子光子對撞可參考我的回答:

或者大佬 @子乾 的回答:

上面的回答會告訴我們在什麽樣的條件下能夠生成正負電子對,或者強子。

我們就直接假定能生成吧。

若是生成正負電子對,那麽這對正負電子平分光子的能量,他們各自具有的能量為 3.75\times10^{16}~\mathrm{TeV} 。

這麽高能量的電子還是一樣會直接穿透人體。

人體對帶電粒子的阻擋同樣可以在NIST的網站上計算。這裏我們要算stopping power,對高能粒子的阻擋效果。使用NIST的線上軟體ESTAR [4] ,算下能量為1MeV-10GeV「這個線上軟體允許的最高電子能量為10GeV」的電子在密度為1g/cc的水中的stopping power。

結果如圖,第二個圖我直接算出來電子的沈積深度。可以看出能量 10GeV 的電子「紅星」的沈積長度就已經達到了將近 1公尺。也就是說需要 1公尺 厚的肉體才能阻擋 10GeV 的電子。而 10GeV 相比於「普朗克光子」的能量簡直小的不忍直視了。

感興趣的可以使用PSTAR [5] 和ASTAR [6] 算下質子和Alpha粒子的沈積長度。

總之,我感覺這個問題的意義也就是了解下:

  • 啥是普朗克長度
  • 如何計算光子能量
  • 如何計算光子在介質中的透過率
  • 如何計算帶電粒子在介質中的stopping power和沈積長度
  • 至於這個光子是否真能在人體釋放3噸TNT能量?

    呵呵。

    參考

    1. ^ First Detection of Photons with Energy beyond 100 TeV from an Astrophysical Source https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.051101
    2. ^ x-ray-mass-attenuation-coefficients. https://www.nist.gov/pml/x-ray-mass-attenuation-coefficients
    3. ^ Filter transmission. https://henke.lbl.gov/optical_constants/filter2.html
    4. ^ ESTAR. https://physics.nist.gov/PhysRefData/Star/Text/ESTAR.html
    5. ^ PSTAR https://physics.nist.gov/PhysRefData/Star/Text/PSTAR.html
    6. ^ ASTAR https://physics.nist.gov/PhysRefData/Star/Text/programs.html