《三體》動畫的一開頭就有這樣的臺詞：

“科學(xué)發(fā)展，突破口在哪兒？”

“粒子對撞實(shí)驗(yàn)？！”

接下來我們就看到了太空中的對撞機(jī)：

當(dāng)然也看到了智子對實(shí)驗(yàn)的干擾。三體人為何如此害怕地球人的對撞機(jī)？對撞機(jī)實(shí)際上是粒子加速器的一種。按照原著的設(shè)定，三體人擔(dān)心人類利用加速器揭示物質(zhì)的本質(zhì)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)的飛躍，成為它們的有力勁敵。

這個設(shè)定非?？茖W(xué)！粒子加速器確實(shí)在人類的科技發(fā)展史上有著舉足輕重的地位。通過人工方法加速帶電粒子，科學(xué)家們既可以用加速器做高大上的物理實(shí)驗(yàn)，探索物質(zhì)世界的基本組成，推動基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展；也可以對材料進(jìn)行探傷，處理美味的食物，甚至嬰兒們離不開的尿不濕也和加速器有關(guān)！

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(jì)八九十年代流行的“大屁股”電視機(jī)其實(shí)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(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，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天延長到幾個月，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加速電場，粒子便可沿直線運(yùn)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(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，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)心的讀者可能會發(fā)現(xiàn)這些圓筒變得越來越長，這是因?yàn)椋弘S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(yīng)的漂移管的長度逐漸變長。

▲漂移管直線加速器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。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(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(xiàng)開創(chuàng)性的成果解決了因加速器過長而導(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。

▲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(rèn)識了：

▲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型盒狹縫都會加速，因此在固定的磁場作用下每一圈半徑都會變大，運(yùn)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(shí)驗(yàn)要求，經(jīng)典的回旋加速器又進(jìn)行了一系列升級，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）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，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非常不錯的選擇。

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前所未有的環(huán)日加速器。這個加速器預(yù)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(yùn)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(gòu)想其實(shí)就對應(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）！但是列文斯通對這個結(jié)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(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)聚焦原理與自動穩(wěn)相原理后來成為現(xiàn)代加速器的兩大基石。

▲美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室于上世紀(jì)五十年代建造的質(zhì)子加速器（Cosmotron），這是世界上第一臺弱聚焦同步加速器。來源：BNL

▲美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室于上世紀(jì)五十年代建造的交變梯度同步加速器(Alternating Gradient Synchrotron)，這是世界上第一臺強(qiáng)聚焦同步加速器。來源：BNL

▲弱聚焦和強(qiáng)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

▲近代物理所建成的環(huán)型加速器——冷卻儲存環(huán)。來源：近代物理所

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(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，為了保證束流運(yùn)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(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。

▲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

我們?yōu)槭裁葱枰铀倨鳎?/p>

人類如此大費(fèi)周章地建設(shè)各種各樣的加速器，不斷探索新的加速器技術(shù)，為何我們?nèi)绱诵枰铀倨鳎?/p>

探索微觀世界一直是科學(xué)家們的夙愿。曾經(jīng)，“核物理學(xué)之父”盧瑟福就說過：“長期以來，我一直希望能夠獲得大量的原子和電子開展研究，這些原子和電子的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過來自放射性物體的粒子”。

從最早盧瑟福利用α粒子轟擊金箔的實(shí)驗(yàn)打開原子物理研究的大門，到2013年大型強(qiáng)子對撞機(jī)發(fā)現(xiàn)希格斯粒子，加速器無疑是科學(xué)家們開展物質(zhì)科學(xué)研究最重要、最前沿的工具。我們不但能用它發(fā)現(xiàn)新的基本粒子，也能合成新的同位素，甚至可以體驗(yàn)一把造物主的感覺——合成新元素！

▲高能量的粒子對撞機(jī)對撞出我們對世界的新認(rèn)知。來源：CERN

加速器對基礎(chǔ)研究的貢獻(xiàn)不僅僅在核物理和粒子物理領(lǐng)域中。利用帶電粒子在電磁場的作用下沿彎轉(zhuǎn)軌道運(yùn)動時發(fā)出的電磁輻射，科學(xué)家們建造了同步輻射光源，開展材料科學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)等學(xué)科的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)幫助人類更清晰地了解微觀世界的結(jié)構(gòu)，在解析禽流感、埃博拉、寨卡和新冠病毒結(jié)構(gòu)，篩選抗病毒藥物與抗體等方面發(fā)揮著重要作用。

▲北京高能同步輻射光源組成示意圖。來源：高能物理研究所

除了基礎(chǔ)科學(xué)研究，通過加速不同的帶電粒子束或離子束，比如電子、重離子等等，科學(xué)家們可以開展各種各樣的應(yīng)用研究。加速器的應(yīng)用已經(jīng)滲透到人類生活的諸多方面了：

我們可以利用加速器治療癌癥。重離子放療是目前國際上公認(rèn)的先進(jìn)放療手段，重離子束就像一枚精準(zhǔn)的導(dǎo)彈，能直接擊中病灶，集中釋放能量，消殺癌細(xì)胞。

▲近代物理所研制的碳離子治療裝置，這臺加速器是由回旋加速器和環(huán)型加速器組成的。來源：近代物理所

甚至，可口的巧克力和嬰兒尿不濕的生產(chǎn)也和加速器有關(guān)！同步輻射光源技術(shù)可使制造的巧克力不發(fā)生反霜，提升巧克力的質(zhì)感、口感和外觀。美國勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室曾利用先進(jìn)光源（ALS）產(chǎn)生的X射線，幫助道氏公司的化學(xué)家深入了解并改進(jìn)了尿不濕中高吸水性聚合材料，從而改變了父母照顧嬰兒的方式。

加速器的應(yīng)用還遠(yuǎn)不止于此，安檢系統(tǒng)、無損探傷設(shè)備、輻照誘變育種、污水處理、航空航天……都與加速器技術(shù)息息相關(guān)。難怪，三體人會這么害怕地球人的加速器了！如果你能來現(xiàn)場參觀，相信你的震撼一定不會比讀《三體》差！