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问题

创建一个粒子需要多少的能量？

回答
要创建一个粒子，我们需要多少能量？这个问题听起来很直接，但其实牵扯到物理学中最深刻的一些概念，而且答案并不是一个简单的数字，而是与粒子的种类、创生方式以及我们所处的宇宙环境息息相关。就好比你问“盖一栋房子需要多少钱？”，答案会随着房子的大小、材料、地段和复杂程度千差万别。

我们不妨从最基本的层面来理解。根据爱因斯坦那句家喻户晓的质能方程 $E=mc^2$，质量和能量是同一事物的不同表现形式。这意味着，如果你要创造一个有质量的粒子，你就必须从某种形式的能量中“提取”出它的质量来。所以，更准确地说，我们不是凭空“创造”粒子，而是将能量转化为粒子的质量和动能。

那么，具体需要多少能量，取决于你想创造什么样的粒子。

1. 最简单的例子：电子和正电子

在粒子物理实验中，我们经常通过高能粒子碰撞来“创造”新的粒子。最常见的例子之一就是电子正电子湮灭。当一个电子和一个正电子以足够高的能量相遇并碰撞时，它们会湮灭，释放出能量。而反过来，科学家们也可以利用这些能量，在特定条件下，“创造”出新的电子和正电子对。

一个静止电子的质量是多少呢？它的静止质量约为 $9.109 imes 10^{31}$ 千克。根据 $E=mc^2$，要创造一对静止的电子和正电子（因为正电子的质量与电子相同），仅仅考虑它们的静止质量，需要的能量是：

$E = (m_e + m_e) c^2 = 2 imes (9.109 imes 10^{31} ext{ kg}) imes (299,792,458 ext{ m/s})^2$

计算下来，这大约是 $1.637 imes 10^{13}$ 焦耳。这个能量值在宏观世界看来微乎其微，但对于粒子来说，已经是一个相当可观的能量了。在粒子加速器中，科学家们正是通过将粒子加速到极高的能量，然后让它们发生碰撞，从而获得足够的能量来“生产”出具有特定质量的粒子。

但是，请注意，这只是创造一对静止的电子和正电子所最低限度需要的能量。在实际的粒子碰撞中，粒子并不仅仅以静止质量的形式出现。它们往往还携带着大量的动能。因此，创造一对电子和正电子的实际过程中，碰撞粒子需要的能量通常会比仅仅计算静止质量所需的能量要高得多，因为额外的能量会转化为新生粒子的动能。

2. 更重的粒子：质子、中子以及更奇异的粒子

如果我们要创造更重的粒子，比如质子，所需的能量就会相应增加。质子的静止质量大约是电子的1836倍。所以，创造一个质子（或反质子）需要的能量，也大约是创造一个电子的1836倍。

在大型强子对撞机（LHC）这样的粒子加速器中，质子被加速到接近光速，它们的动能远超其静止质量所代表的能量。当这些高能质子发生碰撞时，释放出的能量足以产生各种各样的粒子，包括许多比质子和中子更重的粒子，甚至还有我们尚未完全理解的奇异粒子。

3. 宇宙大爆炸的瞬间：一切粒子的起源

将目光放到宇宙的宏大尺度，一切粒子的起源可以追溯到宇宙大爆炸的最初瞬间。在那极早期，整个宇宙的温度和能量密度都极其高。随着宇宙的膨胀和冷却，最初的能量开始转化为各种基本粒子，包括夸克、轻子（如电子）以及传递相互作用的玻色子（如光子、胶子）。

在那个阶段，创造一个粒子所需要的能量，可以说是“宇宙级别的”。你可以想象，在一个密度极高、温度极高、能量极其充沛的环境中，能量以极其活跃的方式转化为物质，然后再湮灭，再转化，形成一个充满基本粒子和反粒子的“汤”。

4. 量子场论的视角：能量激发

从现代物理学的量子场论来看，粒子可以被看作是量子场的“激发”。想象一下，宇宙是由各种量子场构成的，比如电子场、光子场等等。当这些场的某个区域获得足够的能量时，它就会产生一个“涟漪”，这个涟漪在我们的宏观感知中，就是我们所说的粒子。

所以，创造一个粒子，可以理解为向相应的量子场注入足够的能量，使其达到一个特定的激发态。这个能量的阈值就取决于该场的“质量尺度”或者说是该粒子的静止质量。

总结来说，创造一个粒子的能量需求可以从几个层面理解：

最低能量需求： 就是该粒子的静止质量对应的能量，根据 $E=mc^2$ 计算。这是理论上的最低值。
实际实验需求： 在粒子碰撞实验中，你需要提供远超粒子静止质量的能量，因为这些额外的能量会转化为新生粒子的动能，也可能产生其他我们不期望产生的粒子。能量的“浪费”是必然的，为了精准地“制造”出目标粒子，往往需要有很大的能量“富余”。
宇宙起源的能量： 在宇宙大爆炸之初，所有粒子的创造都发生在能量密度极高的环境中，能量的转化和粒子的产生是宇宙演化过程中的自然现象。

所以，这个问题没有一个固定答案，它取决于你创造的是什么粒子，以及你采用什么样的方式去创造。从微观粒子的静止质量，到宇宙大爆炸的能量洪流，都深刻地体现了能量与物质之间密不可分的关系。这是一个持续探索的领域，随着我们对宇宙理解的深入，我们可能会发现更多关于粒子创生及其能量需求的奥秘。

网友意见

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这看起来是一个很简单的算数题，但是实际上也包含了很多的物理内容。

算个数很简单，但是搞清楚背后的物理更有趣。

1、守恒定律

回答这个问题，最先想到的就是“能量守恒定律”了。原则上来说，创造一个粒子，所需要的能量不能低于这个粒子的静能量。

在狭义相对论中，一个粒子的总能量为：

这是狭义相对论中给出的能量公式，其中根号下的第二项为“动能项”，若粒子静止，则为零；而第一项是静能项，对于静质量不为零的粒子来说，粒子的能量大约等于静能量。

比如说，一个电子的静质量为 ，[1]，所以要想产生一个电子，输入能量至少为 。当然，如果输入的能量高于这个值，产生的电子就具有动能，在实际中，一般都是这种情况。

但是实践中根据情况的不同，往往需要更高的能量。因为制约这个过程的还有其它守恒定律，这些定律同样重要，比如动量守恒、电荷守恒、重子数守恒等。除此之外，还有概率问题，即即使各种条件都满足，也不代表就一定会发生！

2、基本粒子


在历史上，有一种说法叫做“能量产生物质”，是因为曾经把光子（或者说电磁波）称作能量，而电子、质子等构成物质的费米子被称为“物质”。虽然现在还有这种说法，但是我个人认为，在目前的物理学中，这种说法已经是不严谨的了。但是为了延续这种“简单”的图像，我就假设是用光子来产生其它粒子吧。

既然要创造粒子，就要简单地说说有哪些粒子。上图是粒子物理标准模型中的基本粒子：

  • 夸克：参与强相互作用的粒子统称为强子，比如质子和中子，而夸克是强子内的重要组成部分（强子内还有胶子）；
  • 电子：带负电，参与构成原子， 子和 子可以看做是大号的电子，比电子重很多；
  • 中微子：质量很小，分为电子中微子， 子中微子和 子中微子；
  • 规范玻色子：包括光子、W/Z玻色子以及胶子，分别是电磁相互作用、弱相互作用以及强相互作用的媒介粒子；
  • Higgs玻色子：基本粒子的质量来源

电子、中微子以及夸克都是标准模型中的基本粒子，电子、中微子为作为轻子的代表，夸克是强子构成的代表，下面来看看通过光子创造这三种粒子的过程是怎样的，又需要多少能量。

3、创建一个电子

一个光子能变成一个电子吗？这显然是不行的，因为过程前后电荷不守恒，因此不能发生。

那一个光子能变成一对正负电子吗？假设一个能量大于 的自由光子变为一对正负电子，这个过程并不违反能量守恒定律和电荷守恒定律，但实际上并不会发生。

在任何参考系光子的动量都不为零，但是生成的一对正负电子，总可以找到一个参考系使二者的总动量为零，因此这个过程违背了动量守恒定律，不会发生。（需要指出的是，当把一个光子入射到质量比较大的原子附近时，是有可能变成一对正负电子的，这是因为原子给提供了额外的动量）

实际上，要想产生一对正负电子，（至少）需要两个光子对撞，这个过程也是正负电子对湮灭成光子的逆过程。电子/正电子的质量为 ，因此每个光子的能量不应该低于 。

那么能量为0.511MeV的光子是一个什么概念呢？光子的能量与频率的关系为：

其中 是电子的静质量， 是入射光子的频率，可以算出：

再通过 算出光子波长:

我们看一下光谱：

可以看到，频率为 的光已经属于伽马射线了，而人类能产生最强的光主要是通过激光，那么这样的能量现在的激光能产生吗？我找到了一张激光谱（Laser - Wikipedia）

我们主要看一下所能达到的最高能量：

最高能量的光子波长为 左右，离X光还有一段距离，更不用说gamma射线了。也就是说目前的激光并不能通过交叉产生正负电子对。

总结：创造一个电子，至少需要1.022MeV的能量，即电子质量的两倍。（因为为了保证各种守恒律，总得需要一部分额外的能量产生正电子）

4、创建一个中微子

此处以电子中微子为例。

由于中微子不带电，因此光子与中微子没有直接的相互作用，所以不能直接产生，只能间接产生。最重要的过程是，一对光子对撞，首先生成一对正负电子，紧接着正负电子通过弱相互作用湮灭，变成Z玻色子，Z玻色子再变成一对正反中微子。

中微子的质量是多少呢？很遗憾，到目前为止还不知道，我们只知道中微子的质量非常小，以及知道三种中微子质量之和的上限，但是到底是多少，目前并不清楚。这是标准模型图中给出的标注：

实际上，目前有多试验都在测量中微子的质量，比如通过精确测量氚的贝塔衰变能谱（氚的贝塔衰变），宇宙微波背景辐射和大尺度结构的观测（因为有质量的中微子会影响宇宙的演化）。根据本人了解的情况，目前的结果显式，中微子的绝对质量不超过 0.1 eV。

所以产生中微子比产生电子的所需要的能连低多了，上限为0.2eV，大约是电子能量的百万分之一(因为 )

那么对应光子的频率就为：

或者波长为：

这大约是红外线的频率，因此，通过光子光子对撞生成中微子应该可以实现。但是需要指出的是，光子光子对撞生成中微子的过程，比生成电子的过程复杂的多，一般来说，这就说明前者的概率非常非常低（当然，具体的概率需要计算才能知道），而且是会差几个数量级。

5、创建一个夸克

夸克也是带电的，最轻的两个夸克，上夸克和下夸克，质量比较小，分别为 以及 ，比电子的质量大一个数量级。其它的夸克都比上夸克和下夸克重很多。

表面来看，生成一对夸克和生成一对正负电子是类似的，实际上差别很大。这是因为夸克有一个非常独特的性质，即色禁闭，即夸克不能单独存在，只能多个夸克或反夸克抱团，以复合粒子（即强子）的形式存在，比如质子和中子。夸克和胶子都不能单独存在，任何企图把夸克从强子中分离出来的操作都无法实现：

质子和中子都是由三个夸克构成的，如下图所示，质子是两个上夸克和一个下夸克，而中子是两个下夸克和一个上夸克。质子和中子的质量都是 左右。

但是夸克还可以和一个反夸克构成所谓的介子，而最轻的介子是 介子，其构成如下图所示，其质量为 左右， 介子也是最轻的强子。

介子其质量为：

这可比电子重多了，大约重了三个数量级！！！因此产生 介子就得需要更大的能量了，同样的根据上面计算电子的计算，也可以得到此时光子的波长：

显然波长也小了三个数量级。

而对于质子或者中子来说会更难。类似于电荷守恒，强子还有一个类似的性质，叫做重子数，重子数也要满足守恒的，比如说，质子的重子数为1，而反质子的重子数为-1，光子光子对撞不能单独生成一个质子，而要一个质子和一个反质子才行。而介子的重子数为0，因此生成一个介子并不违反重子数守恒。

6、光子光子对撞实验

虽然无法用激光实现上面的过程，但是可以通过其它形式的光源来实现。比如可以直接制作出高能光子进行对撞，这就要用“逆康普顿散射”产生高能伽马光子。

普通的康普顿散射是能量较高的光子撞击静止的电子，变成能量较低的光子，光子在这个过程中损失能量，而电子增加能量；

而逆康普顿散射恰恰相反，用低能光子（通过激光产生）撞击高能电子，获得高能光子，然后再把这束高能光子与另一束高能光子相撞，即可实现高能光子对撞：

（来源[2]）

通过这种办法，入射激光能获取入射电子的80%的能量，对能量的利用率是非常高的了[2]！而且，目前的粒子加速器（正负电子、质子等）的技术是非常成熟的了，也可以对已有的加速器进行改进升级，比如，欧洲核子中心CERN的大型强子对撞机LHC在技术上就可以实现，而且LHC官方也早就进行过相关的设想：

当然，到目前为止这种光子对撞机还没有被制造出来！

7、超边缘核子碰撞

几年前我接触过一丢丢这方面的内容，不过没记住名字，然后看了知友

这是一种非常巧妙的办法。电磁场本身就是光子的一种特殊形态，两束被加速的原子核并没有直接相撞，而是错过彼此，但是电磁场的范围是大于原子核的半径的，这样两簇电磁场就会发生相撞：

由于相对论的尺缩效应，在垂直于运动方向上，会有很强的电磁场，这样的电磁场就可以充当光子使用。由于原子核直接并不会直接接触，因此这样的过程不会有强相互作用参与其中。这样的过程能量也很高，是完全可以产生强子的，包括各种介子和重子。由于没有强相互作用的参与，因此这样的过程能对电磁相互作用进行非常精确的研究。

实际上，这样的过程在美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机RHIC 以及 欧洲核子中心CERN 的大型强子对撞机LHC 上都能发生[3]。

8、正反物质不对称

在上面的讨论中，我们提到了“电荷守恒”以及“重子数守恒”，这暗示着宇宙中重子的数量与反重子的数量是相等的。但实际上，宇宙中存在着明显的“正反物质不对称的现象”。

宇宙中的物质和反物质的不对称主要体现为正反重子的不对称，这是因为当今宇宙中的普通物质的能量主要集中在重子部分。但是天文观测数据却显示，在可观测的宇宙范围内，二者严重失衡，只发现了正物质，没有反物质。假设宇宙中有反物质存在的区域，那么在正反物质的交界处会发生剧烈的湮灭，产生很强的伽马射线，但是宇宙观测中并没有发现这种伽马射线

由于宇宙中正反物质并不对称，而且这种对称主要集中在重子上，比如说质子和反质子的不对称，因此必定存在一个机制能够使得反物质变成正物质，但是目前对于在宇宙中观测到正反物质不对称性的起源，我们仍然是知之甚少。不仅对于粒子物理，对于宇宙学，这同样是一个非常重要的问题。

因此，或许存在一种可能，使得一个光子能够变成一个质子(以及其它的轻子，以维持电荷守恒)，想象一下，在这种情况下，对于创造某些粒子所需要的能量就会少很多。

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参考

  1. ^ MeV是粒子物理常用的能量/质量单位，为了直观认识，质子的质量大约为938MeV
  2. ^ a b https://www.slac.stanford.edu/pubs/beamline/26/1/26-1-kim.pdf
  3. ^ https://drupal.star.bnl.gov/STAR/pwg/peripheral-collisions

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