要鎖死人類科技，為啥第一件事是破壞粒子加速器？——三體人是這么想的

近期，以《三體》為原型拍攝的動畫和電視劇作品開播，劇情中智子通過擾亂高能加速器實驗，鎖死了人類的基礎研究。三體人為什么那么害怕地球人的加速器？其實，這個設定非?？茖W！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

“兩個智子到達地球之后，第一個任務就是定位人類用于物理學研究的高能加速器，然后潛伏其中……它可以代替靶標粒子去接受撞擊……當智子被撞擊后，它就會有意給出錯誤和混亂的結果。”在《三體》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，導致我們的物理學家們再也無法窺見物質(zhì)深處的秘密以及實現(xiàn)技術飛躍的可能。

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

物質(zhì)的深層結構

幾千年來，哲學家們一直在思考我們這個世界到底是由什么構成的。

早期的哲學家們認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)代科學的說法，他認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、獨立的且不可分割的，但是此時已經(jīng)有了一些科學理論作為基礎。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，隨后的實驗又發(fā)現(xiàn)原子核由質(zhì)子和中子構成，到了1964年，科學家們又發(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，人們對世界構成的認識越來越科學，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，都來自于對物質(zhì)結構的深層認知，比如化學、生物領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。

粒子加速器是研究

物質(zhì)深層結構的強大工具

了解了物質(zhì)深層結構的作用，那么要怎么研究物質(zhì)的深層結構呢？對了，就是要用到這個強大的工具——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粒子，當靶標粒子被撞碎后，對結果進行分析，這樣就能研究物質(zhì)的深層結構信息了。

隨著技術的逐步發(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，像是電視、計算機顯示器用的顯像管就是一臺小小的電子加速器。

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，這樣就形成了我們在屏幕上看到的明暗程度不同的區(qū)域。

粒子加速器的結構和顯像管類似，只不過為了達到科研要求，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？其實是為了干擾地球人對物質(zhì)的研究，一旦關于物質(zhì)的研究停滯了，地球上的科技也將被鎖死在當前的水平，當然也就沒有能力再和三體艦隊對抗啦。

“科學技術的全面發(fā)展取決于基礎科學的發(fā)展，而基礎科學的基礎又在于對物質(zhì)深層結構的探索，如果這個領域沒有進展，科學技術整體上就不可能產(chǎn)生重大突破”。

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。

01

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，英國物理學家伊辛就提出了直線加速器的概念——利用多次加速電場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直線共振加速器。

上世紀八九十年代流行的“大屁股”電視機其實就是一臺直線加速器，通過陰極射線管產(chǎn)生的電子束擊打屏幕內(nèi)側的發(fā)光涂料產(chǎn)生圖像。

▲電視機里的加速器（來源：CERN）

直線加速器是目前最常見的加速器之一。當你美滋滋地啃著從超市購買的泡椒鳳爪時，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（射線照射），是一種高效安全的殺菌技術，可以讓泡椒鳳爪的保質(zhì)期從3-5天延長到幾個月，還不用添加防腐劑。

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

但是一般交變電場有正有負，如何保證粒子的速度只增不減呢？科學家們巧妙地使用了一種叫做漂移管的結構。當遇到負向電壓時，粒子恰好能夠躲進漂移管，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。細心的讀者可能會發(fā)現(xiàn)這些圓筒變得越來越長，這是因為：隨著粒子能量升高、速度變快，單位時間內(nèi)移動的距離也就越長，因此相應的漂移管的長度逐漸變長。

▲漂移管直線加速器的內(nèi)部結構（來源：CERN）

按照這個原理，如果想得到越高能量的粒子，直線加速器的長度就會越長，從而使加速器的成本顯著升高。為了避免建造過長的加速器，回旋加速器應運而生。

02

回旋加速器——可能像切開的蛋糕

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

▲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有一個初步的認識了：

▲經(jīng)典回旋加速器原理圖（來源：王力實）

如圖所示，粒子從回旋加速器中心注入，通過D型盒狹縫進行加速。由于粒子每次經(jīng)過D型盒狹縫都會加速，因此在固定的磁場作用下每一圈半徑都會變大，運動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驗要求，經(jīng)典的回旋加速器又進行了一系列升級，比如改進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）作用把它匯聚成更小更耀眼的光點，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構（來源：Mike Seidel, CAS, Cyclotrons, 2019）

上世紀70年代以來，作為扇聚焦回旋加速器的合理拓展，科學家們又研制了分離扇回旋加速器，進一步提高了加速所需的電壓，提升了運行效率。尤其在當時，為了適應重離子物理研究的需要，分離扇回旋加速器是一個非常不錯的選擇。

看看中國科學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）

03

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前所未有的環(huán)日加速器。這個加速器預計能夠真正將粒子加速到宇宙大爆炸時的創(chuàng)世能量。但即使是這樣，工程師們也需要建造三千兩百個加速線圈，并將它們精確地運到環(huán)日軌道上，每個加速線圈相隔一百五十萬千米。

這個宏偉構想其實就對應了我們要提到的第三種加速器——環(huán)型加速器。無獨有偶，大物理學家費米曾經(jīng)也提出過“環(huán)球加速器”的設想，這種加速器也是基于環(huán)型加速器而言的。

▲費米設想的“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驗室的列文斯通（另一位加速器大佬）打破傳統(tǒng)加速器的聚焦結構（一周都是相同聚焦的結構，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-…），結果竟然出乎意料的好（總的效果是聚焦的）！但是列文斯通對這個結果心存懷疑，就請同事考蘭特做了計算?？继m特重新研究了該結果，并與施耐德等人在此基礎上提出了交變梯度聚焦的原理，也叫做強聚焦原理。強聚焦原理與自動穩(wěn)相原理后來成為現(xiàn)代加速器的兩大基石。

▲弱聚焦和強聚焦的對比圖。由于聚焦、散焦交替排列，右下圖顯得“犬牙交錯”。（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行偏轉，形成圓形軌道，并在類似于直線加速器的腔體中進行加速。與此同時，為了保證束流運動過程中不會“跑散”，環(huán)型加速器中還使用了四極磁鐵等元件對其進行隊形的調(diào)整，這樣粒子束就在磁鐵的指揮下有序地運動。

▲環(huán)型加速器原理（來源：王力實）

環(huán)型加速器能夠更好地儲存加速粒子，并且可以有效地調(diào)整粒子束團的質(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——大型強子對撞機，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的強流重離子加速器（HIAF）結構示意圖。這臺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）

全球高能加速器大PK

《三體》原著中提到“地球目前只有三臺達到了可能取得突破性研究成果所需能級的加速器”，當今世界，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驗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：大型電子正子對撞機（LEP）和大型強子對撞機（LHC）。LEP 坐落于瑞士與法國的邊境地下約100 m深處，周長27 km，曾經(jīng)是世界上最大、能量最高的正負電子對撞機。而LHC是目前世界上最大、能量最高的質(zhì)子對撞機。

代表性實驗：ATLAS、CMS、LHCb、Alice實驗

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的超導磁鐵旁邊，超導磁鐵由美國的Fermi實驗室建造

● 美國費米國家加速器實驗室（FNAL）

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

代表性實驗：D0和CDF實驗

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)

● 中國科學院高能物理研究所（IHEP）

高能加速器：北京正負電子對撞機（BEPC）。曾是在τ-粲能區(qū)性能最佳的探測器。

代表性實驗：北京譜儀對撞機實驗和大亞灣中微子實驗

代表性成果：τ輕子質(zhì)量的精確測量、20—50億電子伏特能區(qū)正負電子對撞強子反應截面（R值）的精確測量、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

▲北京正負電子對撞機上的北京譜儀

● 日本高能加速器研究機構（KEK）

高能加速器：KEK-B加速器，加速器上面的Belle實驗探測器

代表性實驗：B介子工廠Belle對撞機實驗

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驗室（BNL）

高能加速器：相對論重離子對撞機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驗的結果，發(fā)現(xiàn)宇稱守恒破壞，榮獲1957年諾貝爾物理獎；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驗的結果，發(fā)現(xiàn)宇稱守恒破壞，榮獲1957年諾貝爾物理獎；丁肇中利用BNL的AGS加速器開展物理實驗，與在SLAC加速器上開展實驗的里克特同時發(fā)現(xiàn)粲夸克，獲1976年諾貝爾物理獎。

● 美國SLAC國家加速器實驗室（SLAC）

高能加速器：斯坦福線性對撞機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)部的夸克結構，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及其上的對撞機

代表性成果：膠子的發(fā)現(xiàn)

● 俄羅斯科學院布德克爾核物理研究所（BINP）

高能加速器：若干較低能區(qū)的對撞機，以及等離子體設施

代表性成果：等離子體物理，歐洲核子研究中心大型強子對撞機的建設

（內(nèi)容綜合自“科學辟謠”、“科學大院”、“科Way”微信公眾號等）

出品：科普中央廚房

監(jiān)制：北京科技報 | 北科傳媒

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