[科普中國]-為什么研究小小的基本粒子，要用巨大的加速器

基本粒子是目前人們直接觀察到的最小的粒子。

基本粒子究竟有多么小？如果有一種放大鏡能把乒乓球放大到地球那樣大，按同樣的放大倍數(shù)來看基本粒子，也不過像一只乒乓球那樣大。把一萬億個基本粒子排成一列橫隊，叫這列橫隊齊步穿過縫衣針的小孔，也還綽綽有余。為了研究這小小的基本粒子，物理學(xué)家卻動用了直徑大到2千米的高能加速器，這是為什么呢？原來，在微觀世界中，物質(zhì)運動的規(guī)律同我們平時生活中所見到的完全不同。在宏觀世界里，粒子運動的時候，總有一條明確的軌跡；波動則是以彌漫于空間的形式出現(xiàn)的。因此，粒子就是粒子，波就是波，誰也不會把它們混淆起來。

20世紀(jì)初，當(dāng)物理學(xué)家的研究深入到分子、原子以及更深的層次時，卻發(fā)現(xiàn)這些微小的粒子，有許多奇怪的行為，不能用以往的經(jīng)驗來解釋。法國有一位歷史學(xué)家叫路易斯 徳布羅意，他受到研究實驗物理學(xué)的哥哥的影響，改行研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)。1924年，他向巴黎大學(xué)理學(xué)院遞交了一篇博士論文，在論文中他提出了一種新觀點，認(rèn)為任何一個粒子的運動都有一種波和它伴隨，并影響到粒子的運動。這種波的波長，和粒子的動量成反比。由于我們?nèi)庋鬯吹降奈矬w質(zhì)量太大，用德布羅意的公式來計算波長就非常之短，觀察不到這種波的影晌?？墒?，對于原子和分子世界中的粒子來講，這種波的行為卻很強(qiáng)烈。徳布羅意認(rèn)為，只要承認(rèn)這個假定，就可以解釋如原子這類粒子的許多反常的行為。開始，大家對他的說法將信將疑，不久實驗證實了徳布羅意的觀點。這位新博士因此獲得了諾貝爾獎。

物理學(xué)家在探索微觀世界時，經(jīng)常采用的一種方法是把一束已知性質(zhì)的基本粒子作為炮彈，去轟擊所要研究的某種未知的基本粒子，通過觀察它們之間的相互作用，來研究靶粒子的性質(zhì)。在研究基本粒子的時候，為了看清它的結(jié)構(gòu)，作為炮彈的基本粒子的波長，應(yīng)該越短越好，或者是它們的動量越大越好；否則，由于波動的強(qiáng)烈干擾，很難對靶粒子作出精確的測量?？墒牵Ｗ?xùn)c的能量越大，它們就越難馴服，就是要它們轉(zhuǎn)個彎也很不簡單。解決的辦法，只能把加速器的“跑道”彎曲的程度盡量減小，這樣加速器的直徑也就越來越大了。

著名的意大利原子物理學(xué)家恩里科 費米，曾風(fēng)趣地說過：如果人們想要制造一臺能量達(dá)到宇宙射線那樣的加速器，這臺加速器的圓周就會大得足以套到地球的赤道上。但是，人們相信，將來利用某種新技術(shù)(如超導(dǎo)技術(shù))，可以使加速器的尺寸大為縮小。不過，從目前的情況來看，物理學(xué)中研究的對象越小，使用的儀器設(shè)備確實是越來越大了。