為什麼粒子幾乎以光速運動

想像你在盪鞦韆上推一個孩子。輕輕一推，速度增加一點；用力一推，增加得多些。在日常生活裡，推得越多速度越快，似乎沒有上限。但自然界確有上限：光速，寫作 c，約為每秒三十萬公里。任何有質量的東西越接近這堵牆，它就越使勁往回頂，於是你可以無止境地灌入能量，卻始終無法真正達到 c。粒子物理學家幾乎時時刻刻都頂在這堵牆上工作。

他們的粒子之所以能這麼接近光速，原因如下。被研究的粒子——電子、質子、碰撞的碎片——都極其輕，所以哪怕一記不大的能量衝擊，也能把它們帶到 c 的相當大一部分。在大型強子對撞機這樣的機器裡，一個質子被賦予了如此巨大的能量，以至於它以約百分之 99.9999991 的光速飛馳。關鍵在於，越過這一點之後，多給的能量幾乎不再提升速度；它轉而堆積成能量與動量。於是「多快」成了乏味的問題，而「多少能量」才是有用的問題。如此接近 c 運動的粒子被稱為相對論性的，極其接近時則稱為超相對論性的。

這並非奇聞趣事，而是這個領域日常的工作狀態。正因為粒子幾乎處於光速，牛頓關於能量和動量的普通公式乾脆失效，狹義相對論的修正便成了基本的記帳方法。時間膨脹把快速衰變粒子的壽命拉長到足以讓它們存活著抵達探測器；灌進去的能量正是憑空變出全新粒子的源頭。這套工具箱其餘幾乎每一個概念，都是為了精確處理如此之快的運動而存在的。