三体里的粒子对撞器？要锁死人类科技

近期，以《三体》为原型拍摄的动画和电视剧作品开播，剧情中智子通过扰乱高能加速器实验，锁死了人类的基础研究。

三体人为什么那么害怕地球人的加速器？其实，这个设定非常科学！粒子加速器在人类的科技发展史上有着举足轻重的地位。

“两个智子到达地球之后，第一个任务就是定位人类用于物理学研究的高能加速器，然后潜伏其中……它可以代替靶标粒子去接受撞击……当智子被撞击后，它就会有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智子控制，就将成为一堆废铁，导致我们的物理学家们再也无法窥见物质深处的秘密以及实现技术飞跃的可能。

那么，我们不禁要问了，粒子加速器到底是何方神圣，使得三体人要耗费这么多资源，不惜危险也要制造智子去干扰呢？这要先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这个世界到底是由什么构成的。

早期的哲学家们认为大自然是由四种元素组成，分别是土、气、火与水，听着是不是很熟悉，我们中国的祖先也提出过类似的思想，金、木、水、火、土五元素说，直到德谟克利特斯，提出了接近现代科学的说法，他认为每一种事物都是由微小的积木所组成，他还把这些积木称之为原子（当然啦，这里的原子不等同于现代意义的原子）。

真正现代科学意义上的原子论是从道尔顿开始的。

1803年，道尔顿也提出物质世界的最小单位是原子，原子是单一的、独立的且不可分割的，但是此时已经有了一些科学理论作为基础。

100年后的1905年，卢瑟福发现原子由原子核和核外电子组成，随后的实验又发现原子核由质子和中子构成，到了1964年，科学家们又发现质子和中子内部还有粒子，并将这一粒子命名为夸克......

可以看到，人们对世界构成的认识越来越科学，也越来越深入，那么这么深入的了解物质到底有什么用呢？用处大着呢！可以说，给我们带来便利的各种现代科技产品，都来自于对物质结构的深层认知，比如化学、生物领域许多新的合成材料，像尼龙，别看它现在在生活中非常常见、看起来十分普通，它是世界上出现的第一种合成纤维。

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粒子加速器是研究

物质深层结构的强大工具

了解了物质深层结构的作用，那么要怎么研究物质的深层结构呢？对了，就是要用到这个强大的工具——粒子加速器。

粒子加速器，顾名思义，是用来加速粒子的，经过加速的高能粒子撞击选定的靶标粒子，当靶标粒子被撞碎后，对结果进行分析，这样就能研究物质的深层结构信息了。

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，从刚开始的几千公里/秒、几万公里/秒，到现在甚至能够接近光速（真空光速30万公里/秒）！

粒子加速器这么厉害，但是它离我们的生活不是很遥远，像是电视、计算机显示器用的显像管就是一台小小的电子加速器。

显像管有玻璃密封外壳，内部抽成真空。

由一端的电子枪产生的电子束，先是经过高压电极产生加速，再经过偏转电极，不同的电子自上而下打到了荧光屏上的不同位置，这样就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类似，只不过为了达到科研要求，各方面器件的性能要求更高，拿加速器中管道真空度来说，粒子加速器为了把粒子加速到很高的速度，必须减少粒子与气体的摩擦损耗，它的真空度要比显像管高数千数万倍。

现在，我们回到开头的问题，相信大家都已经可以回答了，三体人为什么要去干扰粒子加速器？其实是为了干扰地球人对物质的研究，一旦关于物质的研究停滞了，地球上的科技也将被锁死在当前的水平，当然也就没有能力再和三体舰队对抗啦。

“科学技术的全面发展取决于基础科学的发展，而基础科学的基础又在于对物质深层结构的探索，如果这个领域没有进展，科学技术整体上就不可能产生重大突破”。

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三种常见的加速器

加速器到底是什么样子的，又是如何工作的？今天，我们就向大家介绍三种常见的加速器。

01

直线加速器——可能是你家的老电视

顾名思义，直线加速器（Linear Accelerator ,Linac）是将带电粒子沿直线加速的加速器。

早在1924年，英国物理学家伊辛就提出了直线加速器的概念——利用多次加速电场来使带电粒子获得更高的能量。

1928年，来自挪威的维德罗发展了伊辛的原理，建成了世界上第一台直线共振加速器。

上世纪八九十年代流行的“大屁股”电视机其实就是一台直线加速器，通过阴极射线管产生的电子束击打屏幕内侧的发光涂料产生图像。

▲电视机里的加速器（来源：CERN）

直线加速器是目前最常见的加速器之一。

当你美滋滋地啃着从超市购买的泡椒凤爪时，很有可能你就在享受加速器带来的便利。

基于直线加速器的辐照加工技术（射线照射），是一种高效安全的杀菌技术，可以让泡椒凤爪的保质期从3-5天延长到几个月，还不用添加防腐剂。

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，粒子便可沿直线运动。

如果采用合适的交变电场，就可以做到让粒子持续加速了。

但是一般交变电场有正有负，如何保证粒子的速度只增不减呢？科学家们巧妙地使用了一种叫做漂移管的结构。

当遇到负向电压时，粒子恰好能够躲进漂移管，这样粒子束流（通常叫做束流）就可以在直线段中勇往无前了！

▲漂移管直线加速器原理（来源：veer 王力实修改）

▲漂移管直线加速器示意图（来源：William A. Barletta, USPAS）

上图中红红绿绿的圆筒就是漂移管。

细心的读者可能会发现这些圆筒变得越来越长，这是因为：随着粒子能量升高、速度变快，单位时间内移动的距离也就越长，因此相应的漂移管的长度逐渐变长。

▲漂移管直线加速器的内部结构（来源：CERN）

按照这个原理，如果想得到越高能量的粒子，直线加速器的长度就会越长，从而使加速器的成本显著升高。

为了避免建造过长的加速器，回旋加速器应运而生。

02

回旋加速器——可能像切开的蛋糕

美国物理学家劳伦斯在直线加速器的基础上脑洞大开，于1932年设计和制造了第一台回旋加速器，通过施加外部磁场，将加速粒子的直线轨道变为螺旋线的形式。

这项开创性的成果解决了因加速器过长而导致的加速效率过低的问题，劳伦斯也因此获得了1939年的诺贝尔物理学奖。

▲劳伦斯与他的回旋加速器（来源：LBNL）

回旋加速器是如何工作的呢？大家看看下面的图就会有一个初步的认识了：

▲经典回旋加速器原理图（来源：王力实）

如图所示，粒子从回旋加速器中心注入，通过D型盒狭缝进行加速。

由于粒子每次经过D型盒狭缝都会加速，因此在固定的磁场作用下每一圈半径都会变大，运动轨迹也就形成了螺旋线轨道。

随后，为了满足核物理和粒子物理的实验要求，经典的回旋加速器又进行了一系列升级，比如改进成带有螺旋角的扇聚焦回旋加速器。

这里的“聚焦”可以这样理解：我们可以把粒子束想象成一束平行的太阳光，通过一种透镜（在这里是带有梯度的磁场）作用把它汇聚成更小更耀眼的光点，这样就能提高粒子在材料中的碰撞效率。

▲带有螺旋角的聚焦结构（来源：Mike Seidel, CAS, Cyclotrons, 2019）

上世纪70年代以来，作为扇聚焦回旋加速器的合理拓展，科学家们又研制了分离扇回旋加速器，进一步提高了加速所需的电压，提升了运行效率。

尤其在当时，为了适应重离子物理研究的需要，分离扇回旋加速器是一个非常不错的选择。

看看中国科学院近代物理研究所于1988年建成的分离扇回旋加速器，是不是挺像被切好的四块蛋糕？

▲中科院近代物理所建成的分离扇回旋加速器。

（来源：近代物理所）

03

环型加速器——怎么指挥粒子跑圈？

在《三体》中，刘慈欣老师还设想了这样一种环日加速器：

太空中没有空气，使得环日加速器成为了可能。

工程师们无需建造整体管道，只需要建立一些环绕太阳的中继加速线圈就能够组建一个前所未有的环日加速器。

这个加速器预计能够真正将粒子加速到宇宙大爆炸时的创世能量。

但即使是这样，工程师们也需要建造三千两百个加速线圈，并将它们精确地运到环日轨道上，每个加速线圈相隔一百五十万千米。

这个宏伟构想其实就对应了我们要提到的第三种加速器——环型加速器。

无独有偶，大物理学家费米曾经也提出过“环球加速器”的设想，这种加速器也是基于环型加速器而言的。

▲费米设想的“环球”加速器（来源：Enrico Fermi: The Master Scientist）

1952年，美国布鲁克海文国家实验室的列文斯通（另一位加速器大佬）打破传统加速器的聚焦结构（一周都是相同聚焦的结构，即弱聚焦同步加速器），将具有聚焦作用和散焦作用的磁铁交替排列（即聚焦-散焦-聚焦-散焦-…），结果竟然出乎意料的好（总的效果是聚焦的）！但是列文斯通对这个结果心存怀疑，就请同事考兰特做了计算。

考兰特重新研究了该结果，并与施耐德等人在此基础上提出了交变梯度聚焦的原理，也叫做强聚焦原理。

强聚焦原理与自动稳相原理后来成为现代加速器的两大基石。

▲弱聚焦和强聚焦的对比图。

由于聚焦、散焦交替排列，右下图显得“犬牙交错”。

（来源：王旭东绘制）

环型加速器中粒子的轨道要比回旋加速器简单得多，就是闭合的圆形轨道。

粒子通过一种叫二极磁铁的磁元件进行偏转，形成圆形轨道，并在类似于直线加速器的腔体中进行加速。

与此同时，为了保证束流运动过程中不会“跑散”，环型加速器中还使用了四极磁铁等元件对其进行队形的调整，这样粒子束就在磁铁的指挥下有序地运动。

▲环型加速器原理（来源：王力实）

环型加速器能够更好地储存加速粒子，并且可以有效地调整粒子束团的质量。

如今，多数大型加速器都是以环型加速器作为主要部分，直线加速器和回旋加速器一般会作为环型加速器的注入器使用，大家各显神通。

例如目前世界上最大的粒子加速器——大型强子对撞机，还有国内的同步辐射光源、散裂中子源等等，它们的主体都是环型加速器。

▲我国在广东惠州建设的强流重离子加速器（HIAF）结构示意图。

这台加速器就是由直线加速器和环型加速器等组成的。

（来源：近代物理所）

4

全球高能加速器大PK

《三体》原著中提到“地球目前只有三台达到了可能取得突破性研究成果所需能级的加速器”，当今世界，能称得上高能加速器的屈指可数。

一起来看世界八大高能物理实验研究中心及其高能加速器到底有哪些。

● 欧洲核子研究中心（CERN）

高能加速器：大型电子正子对撞机（LEP）和大型强子对撞机（LHC）。

LEP 坐落于瑞士与法国的边境地下约100 m深处，周长27 km，曾经是世界上最大、能量最高的正负电子对撞机。

而LHC是目前世界上最大、能量最高的质子对撞机。

代表性实验：ATLAS、CMS、LHCb、Alice实验

代表性成果：W及Z玻色子，希格斯粒子，反物质氢原子，粲介子的电荷-宇称不守恒，五夸克态等

▲工程师们站在LHC的超导磁铁旁边，超导磁铁由美国的Fermi实验室建造

● 美国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，它一度是世界上能量最高的对撞机，也是目前人类历史上能量第二高的对撞机。

代表性实验：D0和CDF实验

代表性成果：第五种夸克底夸克和第六种夸克顶夸克的发现

● 中国科学院高能物理研究所（IHEP）

高能加速器：北京正负电子对撞机（BEPC）。

曾是在τ-粲能区性能最佳的探测器。

代表性实验：北京谱仪对撞机实验和大亚湾中微子实验

代表性成果：τ轻子质量的精确测量、20—50亿电子伏特能区正负电子对撞强子反应截面（R值）的精确测量、发现“质子—反质子”质量阈值处新共振态、发现X（1835）新粒子等

▲北京正负电子对撞机上的北京谱仪

● 日本高能加速器研究机构（KEK）

高能加速器：KEK-B加速器，加速器上面的Belle实验探测器

代表性实验：B介子工厂Belle对撞机实验

代表性成果：B介子的电荷-宇称不守恒等

● 美国布鲁克海文国家实验室（BNL）

高能加速器：相对论重离子对撞机RHIC

代表性成果：第四种夸克粲夸克的发现，高能核物理的相关发现。

李政道在BNL工作期间解释了在BNL的COSMOTRON加速器上所做粒子衰变实验的结果，发现宇称守恒破坏，荣获1957年诺贝尔物理奖；杨振宁在BNL工作期间解释了在BNL的COSMOTRON加速器上所做粒子衰变实验的结果，发现宇称守恒破坏，荣获1957年诺贝尔物理奖；丁肇中利用BNL的AGS加速器开展物理实验，与在SLAC加速器上开展实验的里克特同时发现粲夸克，获1976年诺贝尔物理奖。

● 美国SLAC国家加速器实验室（SLAC）

高能加速器：斯坦福线性对撞机SLAC

代表性成果：τ子的发现，第四种夸克粲夸克的发现，质子及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-电子环形加速器HERA及其上的对撞机

代表性成果：胶子的发现

● 俄罗斯科学院布德克尔核物理研究所（BINP）

高能加速器：若干较低能区的对撞机，以及等离子体设施

代表性成果：等离子体物理，欧洲核子研究中心大型强子对撞机的建设

（内容综合自“科学辟谣”、“科学大院”、“科Way”微信公众号等）

出品：科普中央厨房

监制：北京科技报 | 北科传媒

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