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近期，以《三體》為原型拍攝的動(dòng)畫和電視劇作品開播，劇情中智子通過擾亂高能加速器實(shí)驗(yàn)，鎖死了人類的基礎(chǔ)研究。三體人為什么那么害怕地球人的加速器？其實(shí)，這個(gè)設(shè)定非?？茖W(xué)！粒子加速器在人類的科技發(fā)展史上有著舉足輕重的地位。

整理/新媒體編輯  呂冰心 

“兩個(gè)智子到達(dá)地球之后，第一個(gè)任務(wù)就是定位人類用于物理學(xué)研究的高能加速器，然后潛伏其中……它可以代替靶標(biāo)粒子去接受撞擊……當(dāng)智子被撞擊后，它就會(huì)有意給出錯(cuò)誤和混亂的結(jié)果?！痹凇度w》原著中，地球上的高能加速器一旦被智子控制，就將成為一堆廢鐵，導(dǎo)致我們的物理學(xué)家們?cè)僖矡o法窺見物質(zhì)深處的秘密以及實(shí)現(xiàn)技術(shù)飛躍的可能。

那么，我們不禁要問了，粒子加速器到底是何方神圣，使得三體人要耗費(fèi)這么多資源，不惜危險(xiǎn)也要制造智子去干擾呢？這要先從物質(zhì)的深層結(jié)構(gòu)說起。

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物質(zhì)的深層結(jié)構(gòu)

幾千年來，哲學(xué)家們一直在思考我們這個(gè)世界到底是由什么構(gòu)成的。

早期的哲學(xué)家們認(rèn)為大自然是由四種元素組成，分別是土、氣、火與水，聽著是不是很熟悉，我們中國的祖先也提出過類似的思想，金、木、水、火、土五元素說，直到德謨克利特斯，提出了接近現(xiàn)代科學(xué)的說法，他認(rèn)為每一種事物都是由微小的積木所組成，他還把這些積木稱之為原子（當(dāng)然啦，這里的原子不等同于現(xiàn)代意義的原子）。

真正現(xiàn)代科學(xué)意義上的原子論是從道爾頓開始的。1803年，道爾頓也提出物質(zhì)世界的最小單位是原子，原子是單一的、獨(dú)立的且不可分割的，但是此時(shí)已經(jīng)有了一些科學(xué)理論作為基礎(chǔ)。100年后的1905年，盧瑟福發(fā)現(xiàn)原子由原子核和核外電子組成，隨后的實(shí)驗(yàn)又發(fā)現(xiàn)原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成，到了1964年，科學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和中子內(nèi)部還有粒子，并將這一粒子命名為夸克......

可以看到，人們對(duì)世界構(gòu)成的認(rèn)識(shí)越來越科學(xué)，也越來越深入，那么這么深入的了解物質(zhì)到底有什么用呢？用處大著呢！可以說，給我們帶來便利的各種現(xiàn)代科技產(chǎn)品，都來自于對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的深層認(rèn)知，比如化學(xué)、生物領(lǐng)域許多新的合成材料，像尼龍，別看它現(xiàn)在在生活中非常常見、看起來十分普通，它是世界上出現(xiàn)的第一種合成纖維。

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粒子加速器是研究

物質(zhì)深層結(jié)構(gòu)的強(qiáng)大工具

了解了物質(zhì)深層結(jié)構(gòu)的作用，那么要怎么研究物質(zhì)的深層結(jié)構(gòu)呢？對(duì)了，就是要用到這個(gè)強(qiáng)大的工具——粒子加速器。

粒子加速器，顧名思義，是用來加速粒子的，經(jīng)過加速的高能粒子撞擊選定的靶標(biāo)粒子，當(dāng)靶標(biāo)粒子被撞碎后，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，這樣就能研究物質(zhì)的深層結(jié)構(gòu)信息了。

隨著技術(shù)的逐步發(fā)展，加速器能夠注入的能量越來越高，帶電粒子能夠達(dá)到的速度也越來越快，從剛開始的幾千公里/秒、幾萬公里/秒，到現(xiàn)在甚至能夠接近光速（真空光速30萬公里/秒）！

粒子加速器這么厲害，但是它離我們的生活不是很遙遠(yuǎn)，像是電視、計(jì)算機(jī)顯示器用的顯像管就是一臺(tái)小小的電子加速器。

顯像管有玻璃密封外殼，內(nèi)部抽成真空。由一端的電子槍產(chǎn)生的電子束，先是經(jīng)過高壓電極產(chǎn)生加速，再經(jīng)過偏轉(zhuǎn)電極，不同的電子自上而下打到了熒光屏上的不同位置，這樣就形成了我們?cè)谄聊簧峡吹降拿靼党潭炔煌膮^(qū)域。

粒子加速器的結(jié)構(gòu)和顯像管類似，只不過為了達(dá)到科研要求，各方面器件的性能要求更高，拿加速器中管道真空度來說，粒子加速器為了把粒子加速到很高的速度，必須減少粒子與氣體的摩擦損耗，它的真空度要比顯像管高數(shù)千數(shù)萬倍。

現(xiàn)在，我們回到開頭的問題，相信大家都已經(jīng)可以回答了，三體人為什么要去干擾粒子加速器？其實(shí)是為了干擾地球人對(duì)物質(zhì)的研究，一旦關(guān)于物質(zhì)的研究停滯了，地球上的科技也將被鎖死在當(dāng)前的水平，當(dāng)然也就沒有能力再和三體艦隊(duì)對(duì)抗啦。

“科學(xué)技術(shù)的全面發(fā)展取決于基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展，而基礎(chǔ)科學(xué)的基礎(chǔ)又在于對(duì)物質(zhì)深層結(jié)構(gòu)的探索，如果這個(gè)領(lǐng)域沒有進(jìn)展，科學(xué)技術(shù)整體上就不可能產(chǎn)生重大突破”。

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三種常見的加速器

加速器到底是什么樣子的，又是如何工作的？今天，我們就向大家介紹三種常見的加速器。

▍直線加速器——可能是你家的老電視 

顧名思義，直線加速器（Linear Accelerator ,Linac）是將帶電粒子沿直線加速的加速器。早在1924年，英國物理學(xué)家伊辛就提出了直線加速器的概念——利用多次加速電場(chǎng)來使帶電粒子獲得更高的能量。1928年，來自挪威的維德羅發(fā)展了伊辛的原理，建成了世界上第一臺(tái)直線共振加速器。

上世紀(jì)八九十年代流行的“大屁股”電視機(jī)其實(shí)就是一臺(tái)直線加速器，通過陰極射線管產(chǎn)生的電子束擊打屏幕內(nèi)側(cè)的發(fā)光涂料產(chǎn)生圖像。

▲電視機(jī)里的加速器（來源：CERN）

直線加速器是目前最常見的加速器之一。當(dāng)你美滋滋地啃著從超市購買的泡椒鳳爪時(shí)，很有可能你就在享受加速器帶來的便利?；谥本€加速器的輻照加工技術(shù)（射線照射），是一種高效安全的殺菌技術(shù)，可以讓泡椒鳳爪的保質(zhì)期從3-5天延長(zhǎng)到幾個(gè)月，還不用添加防腐劑。

直線加速器的原理并不復(fù)雜：只要給粒子提供一個(gè)加速電場(chǎng)，粒子便可沿直線運(yùn)動(dòng)。如果采用合適的交變電場(chǎng)，就可以做到讓粒子持續(xù)加速了。

但是一般交變電場(chǎng)有正有負(fù)，如何保證粒子的速度只增不減呢？科學(xué)家們巧妙地使用了一種叫做漂移管的結(jié)構(gòu)。當(dāng)遇到負(fù)向電壓時(shí)，粒子恰好能夠躲進(jìn)漂移管，這樣粒子束流（通常叫做束流）就可以在直線段中勇往無前了！

▲漂移管直線加速器原理（來源：veer 王力實(shí)修改）

▲漂移管直線加速器示意圖（來源：William A. Barletta, USPAS）

上圖中紅紅綠綠的圓筒就是漂移管。細(xì)心的讀者可能會(huì)發(fā)現(xiàn)這些圓筒變得越來越長(zhǎng)，這是因?yàn)椋弘S著粒子能量升高、速度變快，單位時(shí)間內(nèi)移動(dòng)的距離也就越長(zhǎng)，因此相應(yīng)的漂移管的長(zhǎng)度逐漸變長(zhǎng)。

▲漂移管直線加速器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（來源：CERN）

按照這個(gè)原理，如果想得到越高能量的粒子，直線加速器的長(zhǎng)度就會(huì)越長(zhǎng)，從而使加速器的成本顯著升高。為了避免建造過長(zhǎng)的加速器，回旋加速器應(yīng)運(yùn)而生。 

▍回旋加速器——可能像切開的蛋糕 

美國物理學(xué)家勞倫斯在直線加速器的基礎(chǔ)上腦洞大開，于1932年設(shè)計(jì)和制造了第一臺(tái)回旋加速器，通過施加外部磁場(chǎng)，將加速粒子的直線軌道變?yōu)槁菪€的形式。這項(xiàng)開創(chuàng)性的成果解決了因加速器過長(zhǎng)而導(dǎo)致的加速效率過低的問題，勞倫斯也因此獲得了1939年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

▲勞倫斯與他的回旋加速器（來源：LBNL）

回旋加速器是如何工作的呢？大家看看下面的圖就會(huì)有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)了：

▲經(jīng)典回旋加速器原理圖（來源：王力實(shí)）

如圖所示，粒子從回旋加速器中心注入，通過D型盒狹縫進(jìn)行加速。由于粒子每次經(jīng)過D型盒狹縫都會(huì)加速，因此在固定的磁場(chǎng)作用下每一圈半徑都會(huì)變大，運(yùn)動(dòng)軌跡也就形成了螺旋線軌道。

隨后，為了滿足核物理和粒子物理的實(shí)驗(yàn)要求，經(jīng)典的回旋加速器又進(jìn)行了一系列升級(jí)，比如改進(jìn)成帶有螺旋角的扇聚焦回旋加速器。這里的“聚焦”可以這樣理解：我們可以把粒子束想象成一束平行的太陽光，通過一種透鏡（在這里是帶有梯度的磁場(chǎng)）作用把它匯聚成更小更耀眼的光點(diǎn)，這樣就能提高粒子在材料中的碰撞效率。

▲帶有螺旋角的聚焦結(jié)構(gòu)（來源：Mike Seidel, CAS, Cyclotrons, 2019）

上世紀(jì)70年代以來，作為扇聚焦回旋加速器的合理拓展，科學(xué)家們又研制了分離扇回旋加速器，進(jìn)一步提高了加速所需的電壓，提升了運(yùn)行效率。尤其在當(dāng)時(shí)，為了適應(yīng)重離子物理研究的需要，分離扇回旋加速器是一個(gè)非常不錯(cuò)的選擇。

看看中國科學(xué)院近代物理研究所于1988年建成的分離扇回旋加速器，是不是挺像被切好的四塊蛋糕？

▲中科院近代物理所建成的分離扇回旋加速器。（來源：近代物理所）

▍環(huán)型加速器——怎么指揮粒子跑圈？

在《三體》中，劉慈欣老師還設(shè)想了這樣一種環(huán)日加速器：

太空中沒有空氣，使得環(huán)日加速器成為了可能。工程師們無需建造整體管道，只需要建立一些環(huán)繞太陽的中繼加速線圈就能夠組建一個(gè)前所未有的環(huán)日加速器。這個(gè)加速器預(yù)計(jì)能夠真正將粒子加速到宇宙大爆炸時(shí)的創(chuàng)世能量。但即使是這樣，工程師們也需要建造三千兩百個(gè)加速線圈，并將它們精確地運(yùn)到環(huán)日軌道上，每個(gè)加速線圈相隔一百五十萬千米。

這個(gè)宏偉構(gòu)想其實(shí)就對(duì)應(yīng)了我們要提到的第三種加速器——環(huán)型加速器。無獨(dú)有偶，大物理學(xué)家費(fèi)米曾經(jīng)也提出過“環(huán)球加速器”的設(shè)想，這種加速器也是基于環(huán)型加速器而言的。

▲費(fèi)米設(shè)想的“環(huán)球”加速器（來源：Enrico Fermi: The Master Scientist）

1952年，美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的列文斯通（另一位加速器大佬）打破傳統(tǒng)加速器的聚焦結(jié)構(gòu)（一周都是相同聚焦的結(jié)構(gòu)，即弱聚焦同步加速器），將具有聚焦作用和散焦作用的磁鐵交替排列（即聚焦-散焦-聚焦-散焦-…），結(jié)果竟然出乎意料的好（總的效果是聚焦的）！但是列文斯通對(duì)這個(gè)結(jié)果心存懷疑，就請(qǐng)同事考蘭特做了計(jì)算?？继m特重新研究了該結(jié)果，并與施耐德等人在此基礎(chǔ)上提出了交變梯度聚焦的原理，也叫做強(qiáng)聚焦原理。強(qiáng)聚焦原理與自動(dòng)穩(wěn)相原理后來成為現(xiàn)代加速器的兩大基石。

▲弱聚焦和強(qiáng)聚焦的對(duì)比圖。由于聚焦、散焦交替排列，右下圖顯得“犬牙交錯(cuò)”。（來源：王旭東繪制）

環(huán)型加速器中粒子的軌道要比回旋加速器簡(jiǎn)單得多，就是閉合的圓形軌道。粒子通過一種叫二極磁鐵的磁元件進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，形成圓形軌道，并在類似于直線加速器的腔體中進(jìn)行加速。與此同時(shí)，為了保證束流運(yùn)動(dòng)過程中不會(huì)“跑散”，環(huán)型加速器中還使用了四極磁鐵等元件對(duì)其進(jìn)行隊(duì)形的調(diào)整，這樣粒子束就在磁鐵的指揮下有序地運(yùn)動(dòng)。

▲環(huán)型加速器原理（來源：王力實(shí)）

環(huán)型加速器能夠更好地儲(chǔ)存加速粒子，并且可以有效地調(diào)整粒子束團(tuán)的質(zhì)量。如今，多數(shù)大型加速器都是以環(huán)型加速器作為主要部分，直線加速器和回旋加速器一般會(huì)作為環(huán)型加速器的注入器使用，大家各顯神通。例如目前世界上最大的粒子加速器——大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，還有國內(nèi)的同步輻射光源、散裂中子源等等，它們的主體都是環(huán)型加速器。

▲我國在廣東惠州建設(shè)的強(qiáng)流重離子加速器（HIAF）結(jié)構(gòu)示意圖。這臺(tái)加速器就是由直線加速器和環(huán)型加速器等組成的。（來源：近代物理所）

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全球高能加速器大PK

《三體》原著中提到“地球目前只有三臺(tái)達(dá)到了可能取得突破性研究成果所需能級(jí)的加速器”，當(dāng)今世界，能稱得上高能加速器的屈指可數(shù)。一起來看世界八大高能物理實(shí)驗(yàn)研究中心及其高能加速器到底有哪些。

● 歐洲核子研究中心（CERN） 

高能加速器：大型電子正子對(duì)撞機(jī)（LEP）和大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）。LEP 坐落于瑞士與法國的邊境地下約100 m深處，周長(zhǎng)27 km，曾經(jīng)是世界上最大、能量最高的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)。而LHC是目前世界上最大、能量最高的質(zhì)子對(duì)撞機(jī)。

代表性實(shí)驗(yàn)：ATLAS、CMS、LHCb、Alice實(shí)驗(yàn)

代表性成果：W及Z玻色子，希格斯粒子，反物質(zhì)氫原子，粲介子的電荷-宇稱不守恒，五夸克態(tài)等

▲工程師們站在LHC的超導(dǎo)磁鐵旁邊，超導(dǎo)磁鐵由美國的Fermi實(shí)驗(yàn)室建造 

● 美國費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室（FNAL）

高能加速器：質(zhì)子-反質(zhì)子對(duì)撞機(jī)Tevatron，它一度是世界上能量最高的對(duì)撞機(jī)，也是目前人類歷史上能量第二高的對(duì)撞機(jī)。

代表性實(shí)驗(yàn)：D0和CDF實(shí)驗(yàn)

代表性成果：第五種夸克底夸克和第六種夸克頂夸克的發(fā)現(xiàn)

● 中國科學(xué)院高能物理研究所（IHEP） 

高能加速器：北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（BEPC）。曾是在τ-粲能區(qū)性能最佳的探測(cè)器。

代表性實(shí)驗(yàn)：北京譜儀對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)和大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)

代表性成果：τ輕子質(zhì)量的精確測(cè)量、20—50億電子伏特能區(qū)正負(fù)電子對(duì)撞強(qiáng)子反應(yīng)截面（R值）的精確測(cè)量、發(fā)現(xiàn)“質(zhì)子—反質(zhì)子”質(zhì)量閾值處新共振態(tài)、發(fā)現(xiàn)X（1835）新粒子等

▲北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)上的北京譜儀

● 日本高能加速器研究機(jī)構(gòu)（KEK） 

高能加速器：KEK-B加速器，加速器上面的Belle實(shí)驗(yàn)探測(cè)器

代表性實(shí)驗(yàn)：B介子工廠Belle對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)

代表性成果：B介子的電荷-宇稱不守恒等

● 美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室（BNL）

高能加速器：相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)RHIC

代表性成果：第四種夸克粲夸克的發(fā)現(xiàn)，高能核物理的相關(guān)發(fā)現(xiàn)。李政道在BNL工作期間解釋了在BNL的COSMOTRON加速器上所做粒子衰變實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)宇稱守恒破壞，榮獲1957年諾貝爾物理獎(jiǎng)；楊振寧在BNL工作期間解釋了在BNL的COSMOTRON加速器上所做粒子衰變實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)宇稱守恒破壞，榮獲1957年諾貝爾物理獎(jiǎng)；丁肇中利用BNL的AGS加速器開展物理實(shí)驗(yàn)，與在SLAC加速器上開展實(shí)驗(yàn)的里克特同時(shí)發(fā)現(xiàn)粲夸克，獲1976年諾貝爾物理獎(jiǎng)。

● 美國SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室（SLAC）

高能加速器：斯坦福線性對(duì)撞機(jī)SLAC

代表性成果：τ子的發(fā)現(xiàn)，第四種夸克粲夸克的發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子及中子內(nèi)部的夸克結(jié)構(gòu)，B介子的電荷-宇稱不守恒等

● 德國電子同步加速器研究所（DESY）

高能加速器：質(zhì)子-電子環(huán)形加速器HERA及其上的對(duì)撞機(jī)

代表性成果：膠子的發(fā)現(xiàn)

● 俄羅斯科學(xué)院布德克爾核物理研究所（BINP）

高能加速器：若干較低能區(qū)的對(duì)撞機(jī)，以及等離子體設(shè)施

代表性成果：等離子體物理，歐洲核子研究中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的建設(shè)

（內(nèi)容綜合自“科學(xué)辟謠”、“科學(xué)大院”、“科Way”微信公眾號(hào)等）