一有质量粒子以近光速来回穿越大脑能否致命？ 第1页

历史上有真实的案例：1978年7月13日，苏联高能物理研究所的科学家Anatoli Bugorski在检修加速器时，安全装置失效，一束（不知道多少个）高能质子（76GeV能量，算了下相当于99.993%光速）打在他的头上。

Bugorski没有感觉到疼痛，但看到了“比一千个太阳还亮的闪光”——这是视觉皮层受辐射后产生的错觉，俗名叫做：眼冒金星。随即他被送往医院。

医生认为他可以交待后事了，因为5Gy的辐射量对人体即有危险，他这一下子接受了2000−3000Gy的辐射！

很快Bugorski的左脸肿得连他妈都认不出来了：

可以看到粒子穿脑而过后，把他的头发也烧掉一小块。

Bugorski从此左脸面瘫，左耳失聪并不断耳鸣。但他的智力没有大碍，后来还拿到了博士学位，只是用脑时疲劳得快一些。

这位老大爷今年77岁，身板还很硬朗。

额外的好处是，因为左脸面瘫，这一侧的皱纹也少了很多，等于打了永久的肉毒素（或许以后可以研发质子美容？）

至于粒子来回穿脑会怎么样？我们分析一下。粒子穿脑造成的伤害，取决于以下因素：

1. 粒子的能量（主要取决于粒子静止质量和速度，注意速度接近光速时，粒子的动质量由于相对论效应也急剧增大）；76GeV比治肿瘤的质子刀高了几百倍；
2. 粒子的电离效应强弱（与粒子质量、速度、电荷数有关），越强则对人体伤害越厉害，但另一方面在人体内的射程也越短。例如阿尔法粒子电离效应极强，但一般穿不过人的皮肤，除非用高能加速器把能量提高几个数量级；贝塔射线电离效应弱得多，但在人体内可以穿过几毫米到几厘米（放射性碘治疗甲亢就是利用这种射线）；伽马射线穿透人体毫无压力，但电离作用相当弱；质子流电离效应应当强于贝塔而弱于阿尔法；
3. 照射的剂量；嗯也就致死剂量几百倍，好在是局部照射，只是被射线扫到的那一路细胞死了而已；
4. 受照射的部位。人脑有一定可塑性，神经元死亡后，一段时间后其功能可能被其他神经元代替，例如他的视觉没留下后遗症（起码没见报道）；但部分重要的颅神经受损后无法恢复，比如Bugorski大爷的左侧面视经、听神经；

从Bugorski大爷头皮被照秃的那一片形状来看，他肯定在被穿脑的那一刻脑袋还有移动，从而增加了对脑组织的伤害（注意，穿脑的是一束质子流，持续了一小段时间，是被N个质子穿了N次，每次穿的路径略有不同）。

这就好比用一根细钢针引了一根极细的钢丝从脑子里穿了过去，如果走运的话除了极少数被穿到的神经细胞外，脑组织基本没受伤。

可是Bugorski大爷的情形是，脑袋动了动，相当于这根细钢丝在脑子里搅了一搅（据评论区朋友反馈，被高速粒子打中后会产生大量次生粒子向周围扩散开来，实际效果可能类似被一个细柄钢刷在脑子里刷了一刷）……

如果当时射线照到了脑干，十有八九大爷的寿命就定格在大哥的年龄上了，现在坟头上的树都合抱不过来了……

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想不到快3000赞了！为了答谢各位，这里告诉大家一个体验高能粒子穿脑的靠谱方法（毕竟把脑袋塞高能加速器里还能开机的机率很渺茫）：去尽量高的高空，最好是当宇航员（好像机会也不大哈），就有机会被高能宇宙射线穿脑，而且你还有机会感觉到哦！

宇宙射线，是来自宇宙深处剧烈物理事件的高能粒子，其中90%是质子，9%左右是电子，还有1%的重原子核，能量多数在100M-10GeV数量级，比穿了Bugorski爷爷大脑的那批质子能量低了1-3个数量级。

人类观测到的最高能宇宙射线，能量达到惊人的450TeV，达到了10^-6焦耳数量级，比布爷穿脑事件的肇事者又高了6000多倍，比现今人类最强加速器LHC强70来倍，和一根火柴从几厘米高的地方掉下来的能量差不多——人家这可只是一个质子的能量！

随阿波罗11号登月的阿姆斯特朗和奥尔德林回地球后报告说，他们每隔数分钟就会看到一次异常的闪光，有时能亮到把他们从睡梦中惊醒，可以是点状、条纹或云状。在阿波罗8-12号宇航员的头盔上还发现了高能粒子穿过塑料的痕迹（显微镜下才能发现）。

为了验证这些闪光是不是与宇宙射线有关，阿波罗16、17号的宇航员们在远离地球后戴上了高能粒子探测器，并在看到闪光后按下按钮。

结果显示，部分闪光出现的时机与侦测到高能粒子一致，验证了宇宙射线就是引起这些光感的原因。航天科学界给了这种光感一个名称，叫“宇宙射线视觉现象”（cosmic ray visual phenomenon）。

宇宙射线引起光感的原因，可能有以下几种：

1. 高速粒子在眼球中超过了光速（介质中光速低于真空光速，可被超越），产生了切连科夫辐射，被视觉细胞看见；
2. 粒子直接打到视觉细胞上触发神经冲动；
3. 粒子打到大脑视觉皮层，触发神经冲动。

1970年代，科学界在地面上又进行了一系列实验，让人在小黑屋里直接看高能粒子发射源，受试（害）者也能体验到这种光感。然而在粒子速度低于可引起眼球内切连科夫辐射的阈值时，这种光感仍然存在，说明1不是引起光感的原因（至少不是唯一原因）。

后来又发生了布爷穿脑事件（实验），粒子束没经过眼球也让他看到了极亮的闪光，说明原因3是完全可能的。

那么为什么在地面上的我们极少看到这种闪光呢？又为什么阿波罗计划之前十几年的宇航员们很少报告这种异常光感呢？因为绝大部分宇宙射线照不到我们和他们。

在地球上空500-50000公里处，地球的磁场形成了救生圈形状的范艾伦辐射带，俘获了大部分带电粒子。少数侥幸闯关成功的粒子进入大气层后，又与空气分子作用逐步衰减。而阿波罗计划的宇航员们，作为第一批离开范艾伦辐射带保护的人类，察觉到异常光感的频繁出现，平均不到3分钟即可出现一次。

航天界仔细研究后，发现其实在近地轨道上的宇航员也能体会到宇宙射线穿脑导致的眼冒金星现象，而且机会不是均等的，在两极和南半球一块神秘区域眼冒金星事件异常增多。两极好理解，这里是救生圈开洞的地方，南半球那块是怎么回事？

原来，地球磁场和自转轴之间有个夹角，导致范艾伦辐射带这个救生圈是歪着戴在地球腰上的；救生圈被撩高上去那个部位，地球的小肚子就暴露出来一块，对应的区域叫南大西洋异常区，被宇宙射线照到的可能性就高得多。

各种人造卫星在飞过这块区域时，经常因为宇宙射线而出现故障，甚至连哈勃太空望远镜路过时，都不敢开机。

所以，我等没法飞离地球的凡夫俗子们，想体验粒子穿脑的话，多坐坐往阿根廷、巴西飞的国际航班吧，戴好黑眼罩飞，看到一道光，如此美妙，那你就成功了！

另，前两天马友友老师戴着安全帽在日内瓦的大型强子对撞机（LHC）旁边拉了一曲巴赫：

要不要也坐到对撞隧道中来一发7TeV的质子启发下艺术的灵感？

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喜欢本答的客官点赞后，欢迎看看另两则“这么干会不会死人”：

就以现实来说，最近人类目前观察到的最高能量的粒子，大概是450TeV换算一下，大概是0.00007焦耳。

作为一个不太严谨的对比，玩具枪的枪口能量限制是1.8焦耳——也就是说低于这个能量的，几乎不可能造成什么永久性的伤害。

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觉得不会杀死人的，太小看微观粒子的“反复横跳”了吧。

简单计算下，接近光速的粒子，反复穿越头部（近似看作直径20公分的球）。那一秒钟大约可以穿越 次，约合0.04居里，也就是0.04克镭226的放射性活度。题主的脑洞设定，显然是说粒子的能量保持不变，也就是不断有“不明真相的能量补充进来”，但与物质依然保持正常的相互作用。

0.04克的镭226，衰变出的alpha粒子能量从MeV提升到GeV量级，还能在人体组织上沉积能量的同时，不降低能量。让你放在脑门上，你敢不敢？换成电子或是质子，所有这种带电粒子，在辐射医学中，不同于伽马射线或是X射线，在几十公分长度内与物质相互作用的概率都可以看作是100%，且生物学效应高于伽马射线及X射线。如果是固定打击点，那这一区域的剂量更高，区域内的细胞就等死吧。

另外，认为LHC里TeV量级的质子短距离内，与物质不会有太大能量沉积的想法，也挺幼稚的。下图是我用Geant4模拟过的，运行了1000个7TeV质子后，在25米深的水中的能量沉积：

可以看到，7TeV的质子(速度为光速的99.9999991%)并不能有效穿透25米深的水。粗略计算，其在最初的30公分内的能量沉积，约占总能量的0.03%，也就是留下了GeV级别的能量。要知道，现在的医用质子刀，能量最高也就是0.235GeV。细胞内出现这样的能量沉积，就意味着DNA损伤的发生。

说到DNA损伤，高能光子和带电粒子经过细胞时，除了电离产生的带电粒子对细胞DNA的直接损伤这样的“物理攻击”外，也可以通过产生带电基团这类的化学过程，来间接地破坏DNA（比如上图中的羟基自由基）。与“物理伤害”不到1个皮秒（10的负12次方秒）的时间跨度不同，这些自由基可以在人体组织中“存活”至100纳秒以上（10的负7次方秒），并在组织中扩散开来。下图即为DNA损伤模拟中，高能光子穿过质粒后，所产生的自由基在水中扩散的动态效果^[1]。

另外补充一点，中子辐射也可以造成细胞的损伤，其与物质通过碰撞等核反应，同样会间接产生各类带电粒子。因此，中子辐射也是电离辐射的一种，且其生物学效应同样高于X射线及伽马射线。这样的特性，使其也被应用于对肿瘤的放射治疗中。

所以说，反复横跳地沉积能量的带电粒子或中子，能量还能一直保持不变，你要是碰上了，还是有多远逃多远的好。

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一定有小伙伴会说：反复横跳的带电粒子／中子，我们这个次元没有啊！

好，那满足你，我们弄一个本次元可以实现的实验：Super Brain Hole Collider，简称SBHC，中文翻译“超级脑洞对撞机”。试验装置基于LHC建造，示意图如下所示：

LHC的周长27公里，以7TeV质子运动一周为一个周期，我们确保每个周期有两个质子，分别从两端撞击连接在管道上的脑袋。那每秒大概有两万两千个质子，撞进脑子里。按照本回答上一部分的模拟结果，假设每个质子沉积1GeV能量，脑子重1.5公斤。那么一天下来，脑子受到的辐射总剂量为 0.2 Gy。因为是固定打击点，其中心位置的剂量，只会更高。

嗯，达到Gy量级的辐射量，差不多可以开始准备后事了。如果觉得还有希望的话，那多撞几天也就可以确保必死无疑了。

参考

1. ^Geant4-DNA Simulation http://geant4-dna.org/

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  LuJianlong 网友的相关建议: 
      

反对目前最高赞的 @衍哥在印尼 的回答，里面的错误实在太多了，而且还包括小学数学层次的错误。【为他点赞的 @vczh 轮子哥不能见得风是得雨，作为读者本身也要判断】

先回答题主的问题。如果问『可不可以』，那确实是存在可行性，而且这个粒子有不止一种方法来杀死这个人。举两个简单例子：

1. 如果这个粒子带有非零电荷，那么在其速度大小远超介质光速时可以发出强烈的高频率电磁辐射，即契伦科夫辐射（Cherenkov radiation），进而对被穿透的人体造成严重伤害。
2. 入射粒子还可以以类似空气簇射（air shower）的形式，通过与路径上的粒子相互碰撞进而产生大量新粒子。只要入射粒子能量足够高，这些新粒子就可以对被穿透的人体造成显著伤害。

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接下来说说 @衍哥在印尼 的回答中的错误：

1. 在研究粒子间相互作用时，我们需要关心的是粒子的散射截面（scattering cross section）而不是静止时粒子的“尺寸”，前者是跟粒子能量有关的。这一点是物理学的常识。如果按照 @衍哥在印尼 的逻辑（即质子等微观粒子的尺寸太小因此几乎撞不到什么东西），那请问我上面提到过的空气簇射现象是怎么发生的呢？在空气簇射现象中，粒子穿越的可是比大脑介质要稀疏得多的大气层。
2. @衍哥在印尼 对数量级的理解还存在小学数学层次的错误，比如他回答中所说的：

也就是说，相对于原子来说，一个质子的半径比原子小6个数量级。
再换算到换算到三维空间（体积）
球体体积：4/3*圆周率*半径的立方，也就是说还要加3个数量级。那么一个质子的体积整整比原子小了9个数量级，亿分之一。

上面说的都是半径，算提及的话还要加上3个0，也就是一个大脑大概是原子体积的1万亿倍 。

由长度过渡到体积时，比例要变成三次方，也就是说数量级要乘以3，而不是加上3。比如如果两个立方体的变长是1:10，那么体积就是1:1000。【讲真，这么低级的错误我都不好意思指出来】

3. 最后， @衍哥在印尼 的回答中还存在逻辑错误。比如其中所说的：

按大小比例来换算，1个质子穿越原子那么大小的空间时，大概等于长约1公里的广场（包括上方1公里高的所有空间）里的一只水熊虫（体长0.001m）在飞来飞去，想要撞上点什么的概率微乎其微了。
这还只是原子
构成大脑的最基本物质，蛋白质分子的半径是10^(-9) m ~10^(-7) m之间，比原子大10~1000倍。
构成大脑的最基本单位，细胞的半径数量级10^(-5) m，比原子大10万倍
大脑本身的尺寸，我们就按10cm算吧（比划一下就知道），那就是0.1m，比原子大10的9次方倍，也就是10亿倍。
上面说的都是半径，算提及的话还要加上3个0，也就是一个大脑大概是原子体积的1万亿倍 。

这种『大脑的体积更大因此粒子在其中运动更不可能撞上东西』的观点在逻辑上完全是错的。在目标密度一定的情况下，越长的传播路径越可能发生相互作用。这也是在探测相互作用微弱的中微子是要用到体积巨大的探测器的原因（比如日本的超级神冈探测器）。

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