【/h/】最近基于《三体》的动画和电视剧上线。剧情中，直子通过干扰高能加速器的实验，阻碍了人类的基础研究。为什么三体人那么害怕地球人的加速器？其实这个设定很科学！粒子加速器在人类科技发展史上发挥了重要作用。

“两位智子到达地球后，首要任务是定位人类用于物理研究的高能加速器，然后潜伏在里面...它可以代替目标粒子接受冲击...当智子被击中时，它会故意给出错误和混乱的结果。”在三体原著中，地球上的高能加速器一旦被直子控制，就会变成一堆废铁，让我们的物理学家看不到物质深处的秘密和技术飞跃的可能。

【/h/】所以，我们不禁要问，粒子加速器到底有什么神圣之处，让三人行耗费如此多的资源，不惜风险制造出智子来干涉？这要从物质的深层结构说起。

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物质的深层结构

几千年来，哲学家们一直在思考我们的世界是由什么组成的。

早期的哲学家认为自然界是由土、气、火、水四种元素组成的。听起来耳熟吗？我们中国的祖先也提出了类似的思想。直到德谟克利特，他提出了一个接近现代科学的观点。他认为一切都是由微小的积木组成的，他也称之为。

真正现代科学意义上的原子论是从道尔顿开始的。1803年，道尔顿还提出物质世界的最小单位是原子，原子是单一的、独立的、不可分的，但此时已经有一些科学理论作为依据。100年后的1905年，卢瑟福发现原子是由原子核和核外电子组成的。随后的实验发现原子核是由质子和中子组成的。1964年，科学家发现质子和中子内部存在粒子，并将这种粒子命名为夸克。......

可见，人们对世界构成的认识越来越科学和深入，那么对物质的认识这么深入有什么用呢？这是很有用的！可以说，各种给我们带来便利的现代科技产品，都来源于对物质结构的深刻理解，比如化学、生物等领域的许多新型合成材料，比如尼龙。虽然现在生活中很常见，看起来很普通，但它是世界上第一种合成纤维。

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粒子加速器正在研究中。

研究物质深层结构的有力工具

了解了物质深层结构的作用，那么如何研究物质深层结构呢？对了，需要这个强大的工具——粒子加速器。

粒子加速器，顾名思义，是用来加速粒子的。加速的高能粒子撞击选定的靶粒子后，靶粒子被击碎后对结果进行分析，可以研究物质的深层结构信息。

随着技术的逐步发展，加速器能够注入的能量越来越高，带电粒子能够达到的速度也越来越快。从最初的几千公里/秒到几万公里/秒，甚至可以接近光速(真空光速30万公里/秒)！

粒子加速器如此强大，却离我们的生活并不遥远。例如，用于电视和计算机显示的显像管就是一个小型电子加速器。

显像管有玻璃密封外壳，内部抽真空空。一端电子枪产生的电子束先被高压电极加速，再被偏转电极加速。不同的电子从上到下撞击屏幕上的不同位置，从而形成了我们在屏幕上看到的明暗程度不同的区域。

粒子加速器的结构和显像管差不多，只是为了满足科研的需要，对各种器件的性能要求更高。比如粒子加速器为了将粒子加速到非常高的速度，必须降低粒子与气体之间的摩擦损耗，其真空度比显像管高几千倍。

现在，让我们回到开头的问题。相信大家已经可以回答了。为什么三人行会干扰粒子加速器？其实就是干扰地球人对物质的研究。一旦对物质的研究停滞不前，地球上的科技也会被锁定在目前的水平，当然也就没有能力再对抗三体舰队了。

“科学技术的全面发展依赖于基础科学的发展，而基础科学的基础在于对物质深层结构的探索。如果这个领域没有进展，科学技术就不可能在整体上有重大突破。”

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三种常见的加速器

加速器到底是什么样子，怎么工作的？今天，我们将向您介绍三种常见的加速器。

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直线加速器——可能是你的旧电视。

顾名思义，直线加速器，Linac)是一种沿直线加速带电粒子的加速器。早在1924年，英国物理学家伊辛就提出了直线加速器的概念——利用多重加速电场使带电粒子获得更高的能量。1928年，来自挪威的Videro发展了Ising原理，建造了世界上第一台线性共振加速器。

八九十年代流行的“大屁股”电视机，其实就是一个直线加速器。阴极射线管产生的电子束撞击屏幕内部的发光涂料，产生图像。

▲电视中的加速器(来源:CERN)

直线加速器是目前最常见的加速器之一。当你兴高采烈的大嚼着从超市买来的泡椒凤爪时，很有可能是在享受加速器带来的便利。基于直线加速器(辐射)的辐射加工技术是一种高效、安全的杀菌技术，可以在不添加防腐剂的情况下，将泡椒凤爪的保质期从3-5天延长到几个月。

直线加速器的原理并不复杂:只要给粒子提供一个加速电场，粒子就可以做直线运动。如果使用适当的交变电场，粒子可以被连续加速。

但是一般都有正负交变电场。怎样才能保证粒子的速度只增不减？科学家们巧妙地使用了一种叫做漂移管的结构。遇到负电压时，粒子正好可以躲在漂移管里，这样粒子束(通常叫束)就可以直线前进了！

▲漂移管直线加速器原理(图片来源:veer王立石修改)

▲漂移管直线加速器原理图(图片来源:William A. Barletta，USPAS)

上图中红绿相间的圆柱体就是漂移管。细心的读者可能会发现，这些圆柱体越来越长，是因为随着粒子能量和速度的增加，单位时间内移动的距离越来越长，所以相应的漂移管的长度也逐渐变长。

▲漂移管直线加速器内部结构(图片来源:CERN)

根据这个原理，如果想要获得更高能量的粒子，直线加速器的长度会更长，这将显著增加加速器的成本。为了避免建造太长的加速器，回旋加速器应运而生。

02

回旋加速器——可能就像切蛋糕一样。

美国物理学家劳伦斯在直线加速器的基础上脑洞大开。1932年，他设计并制造了第一台回旋加速器。通过施加外部磁场，加速粒子的直线轨道被改变成螺旋形式。这一开创性的成果解决了加速器过长导致加速效率低下的问题，劳伦斯因此获得了1939年的诺贝尔物理学奖。

▲劳伦斯和他的回旋加速器(图片来源:LBNL)

回旋加速器是如何工作的？看下图你就有初步了解了:

▲经典回旋加速器示意图(图片来源:王立石)

如图所示，粒子从回旋加速器的中心注入，通过D盒的狭缝加速。因为粒子每次通过D盒的狭缝都会加速，在固定磁场的作用下，每个圆的半径会变大，轨迹会形成螺旋轨道。

随后，为了满足核物理和粒子物理的实验要求，对经典回旋加速器进行了升级，比如改进为具有螺旋角的扇形聚焦回旋加速器。这里的“聚焦”可以这样理解:我们可以把粒子束想象成平行的太阳光，通过透镜(这里是梯度磁场)的作用，汇聚成更小更耀眼的光斑，从而提高粒子在物质中的碰撞效率。

▲带螺旋角的聚焦结构(图片来源:Mike Seidel，CAS，Cyclotrons，2019)

从20世纪70年代开始，作为风扇聚焦回旋加速器的合理扩展，科学家们开发了分离式风扇回旋加速器，进一步提高了加速所需的电压，提高了运行效率。特别是在当时，为了满足重离子物理研究的需要，分离扇回旋加速器是一个非常好的选择。

看看1988年中科院近代物理研究所建造的分离器回旋加速器。是不是挺像切四块蛋糕的？

▲中科院近代物理研究所建造的分离扇回旋加速器。(来源:近代物理研究所)

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环形加速器——如何指挥粒子绕圈运行？

在《三体》中，刘先生还设想了这样一个围绕太阳的加速器:

Tai 空中没有空气体，使得太阳加速器成为可能。工程师不需要建造一整条管道，只需要在太阳周围建造一些中继加速线圈，就可以形成一个前所未有的太阳加速器。这台加速器有望真正将粒子加速到大爆炸的创造能量。但即便如此，工程师们也需要建造三千二百个加速线圈，并将其精确地运送到绕太阳运行的轨道上，每个线圈相距150万公里。

这个宏大的构想其实对应着我们要提到的第三个加速器——环形加速器。无独有偶，伟大的物理学家费米曾经提出过“全球加速器”的想法，也是基于环形加速器。

▲费米的“全球”加速器(来源:恩利克·费密:大师级科学家)

1952年，布鲁克海文国家实验室的莱文·柊司(另一位加速器大亨)打破了传统加速器的聚焦结构(全周焦点相同的结构，即弱聚焦同步加速器)，交替排列具有聚焦和散焦功能的磁铁(即聚焦-散焦-聚焦-散焦-...)，结果出乎意料的好(整体效果有重点)！然而，莱文·柊司对这个结果有所怀疑，所以他让他的同事科朗特来做这个计算。科伦特再次研究了这一结果，并与施耐德等人提出了交替梯度聚焦原理，又称强聚焦原理。强聚焦和自动稳相的原理后来成为现代加速器的两大基石。

▲弱焦和强焦对比图。由于对焦和散焦的交替排列，右图呈现“锯齿状”。(图片来源:王旭东绘制)

粒子在环形加速器中的轨道比回旋加速器简单得多，是一个封闭的圆形轨道。粒子被称为偶极磁体的磁性元件偏转，形成圆形轨道，并在类似于线性加速器的空腔中加速。同时，为了保证束流在运动过程中不会“跑偏”，在环形加速器中使用了四极磁铁等元件来调整其队形，使粒子束在磁铁的指挥下有序运动。

▲环形加速器原理(图片来源:王立石)

环形加速器可以更好的储存加速粒子，并且可以有效的调节粒子团的质量。现在大部分大型加速器都是以环形加速器为主，直线加速器和回旋加速器一般作为环形加速器的注入器，各显神通。比如大型强子对撞机，目前世界上最大的粒子加速器，还有国内的同步辐射源和散裂中子源，都是环型加速器。

▲中国在广东惠州建造的HIAF结构图。这台加速器由一台直线加速器和一台环形加速器组成。(来源:近代物理研究所)

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全球高能加速器PK

三体原著中提到“地球上只有三台加速器达到了可能取得突破性研究成果所需的能量水平”。当今世界，高能加速器屈指可数。让我们来看看世界八大高能物理实验研究中心及其高能加速器。

●欧洲核研究中心(CERN)

高能加速器:大型正负电子对撞机(LEP)和大型强子对撞机(LHC)。LEP位于瑞士和法国边界地下约100米处，周长27公里。它曾经是世界上最大、能量最高的正负电子对撞机。LHC是世界上最大、能量最高的质子对撞机。

代表实验:ATLAS，CMS，LHCb，Alice实验。

代表成果:W和Z玻色子、希格斯粒子、反物质氢原子、魅力介子、电荷宇称不守恒、五夸克态等。

▲工程师站在美国费米实验室建造的LHC超导磁体旁。

●费米国家加速器实验室(FNAL)

高能加速器:质子-反质子对撞机Tevatron，曾经是世界上能量最高的对撞机，也是人类历史上能量第二高的对撞机。

代表实验:D0和CDF实验。

代表成就:发现第五夸克底夸克和第六夸克顶夸克。

●中国科学院高能物理研究所(IHEP)

高能加速器:BEPC正负电子对撞机。它曾经是τ-粲能区性能最好的探测器。

代表实验:北京谱仪对撞机实验、大亚湾中微子实验。

代表成果:τ轻子质量的精确测量、20-50亿电子伏能量区正负电子碰撞强子截面(R值)的精确测量、质子-反质子质量阈值新共振态的发现、新粒子X的发现(1835)等。

▲北京正负电子对撞机上的北京谱仪。

●日本高能加速器研究所(KEK)

高能加速器:KEK-B加速器，加速器上方的Belle实验探测器。

代表实验:B介子工厂的Belle对撞机实验。

代表成果:B介子电荷宇称不守恒等。

●布鲁克海文国家实验室(BNL)

高能加速器:RHIC相对论重离子对撞机

代表成就:第四夸克的发现，高能核物理的相关发现。在BNL工作期间，李政道解释了在BNL宇宙加速器上进行的粒子衰变实验的结果，并发现了宇称守恒破坏，获得了1957年的诺贝尔物理学奖。在BNL工作期间，杨振宁解释了在BNL宇宙加速器上进行的粒子衰变实验的结果，并发现了宇称守恒破坏，获得了1957年的诺贝尔物理学奖。丁肇中利用BNL的AGS加速器进行物理实验，在SLAC加速器上进行实验的里希特同时发现了粲夸克，获得了1976年的诺贝尔物理学奖。

● SLAC国家加速器实验室(SLAC)

高能加速器:SLAC斯坦福直线对撞机

代表成果:τ的发现，第四夸克的发现，质子和中子内部的夸克结构，B介子的电荷宇称不守恒等。

●德国电子同步加速器研究所(DESY)

高能加速器:质子电子环加速器HERA和其上的对撞机。

代表成就:胶子的发现。

●俄罗斯科学院Budker核物理研究所(BINP)

高能加速器:低能区的几台对撞机和等离子体设施。

代表成就:等离子体物理，欧洲粒子物理研究所大型强子对撞机建设。

(内容综合自“科学谣言”、“科学大院”、“Keway”微信微信官方账号等。)

出品:科普中央厨房

监制:北京科技报|北科传媒

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