FHSST 物理学/碰撞与爆炸/微小而猛烈的碰撞
论文 2：微小而猛烈的碰撞
作者：托马斯·D·古铁雷斯
汤姆·古铁雷斯在加利福尼亚州圣何塞的圣何塞州立大学获得了物理学学士和硕士学位。作为硕士生，他帮助在 NASA 艾姆斯研究中心工作，研究激光光谱仪。该仪器测量了CO2气体中不同碳同位素的比例，可用于医疗诊断和太空探索等多种应用。后来，他在加州大学戴维斯分校获得了物理学博士学位，在那里他计算了高能物理碰撞中各种反应。他现在住在加利福尼亚州伯克利，研究纽约长岛布鲁克海文国家实验室 STAR 实验中观察到的质子-质子碰撞。
想象一个橙子，把它放大到地球的大小。地球大小的橙子的原子本身大约有普通橙子那么大，会充满整个地球大小的橙子。现在，取一个原子，把它放大到足球场的大小。这个原子的原子核大约只有球场中央的一颗小种子那么大。从这个类比中可以看出，原子核对于人类来说是非常小的物体。它们的直径大约为 10−15 米，比一个典型的原子小十万倍。这些原子核无法用肉眼或显微镜等任何传统方法观察或研究。那么科学家如何研究原子核等非常小的物体的结构呢？
最简单的原子核是氢原子核，被称为质子。由于无法分离单个质子，打开它并直接检查内部，科学家必须诉诸于一种蛮力和间接的探索方法：高能碰撞。通过以非常高的能量使质子与其他粒子（例如其他质子或电子）发生碰撞，人们希望了解它们的组成和工作原理。美国物理学家理查德·费曼曾经将这个过程比作将精密的钟表撞在一起，并通过检查破碎的碎片来弄清楚它们的运作原理。虽然这个类比可能看起来悲观，但只要有足够的数学模型和实验精度，就可以从这些高能亚原子碰撞的碎片中提取大量信息。人们可以了解起作用的力的性质，以及这些系统的子结构。
这些实验属于高能物理学（也称为亚原子物理学）的范畴。这些实验中主要的科学探索工具是两个非常非常小的亚原子物体（如原子核）之间发生的极其猛烈的碰撞。一般来说，碰撞的能量越高，你就能分辨出原始系统的细节就越多。这些实验在欧洲核子研究组织（CERN）、斯坦福直线加速器中心（SLAC）、布鲁克海文国家实验室（BNL）和费米实验室等实验室进行，这只是一些例子。进行碰撞的巨型机器大约有城镇那么大。例如，BNL 的 RHIC 对撞机是一个直径约 1 公里的环，从太空中可以观察到它。目前正在建造的最新机器，CERN 的 LHC，是一个直径 9 公里的环！
让我们详细研究一下这种碰撞的运动学...