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2023年11月15日，包括美国德克萨斯大学奥斯汀分校等在内的研究团队正式宣布，团队已经成功研制出长度不到20米的紧凑型粒子加速器。

这在原有的基础之上缩短150倍，可见其无比强大，甚至可以改变科学。

粒子加速器是什么？为什么说它可以改变科学？

为何要加速粒子？

如果用简短的话来回答这个问题，应该说加速粒子是为了进一步认识微观世界。

世界到底是由什么组成的？这是长期困扰人类的问题，我们一直在观察地球，但似乎很难给出十全十美的答案。

古代人们主要根据肉眼所见判断世界是什么，比如作为西方哲学奠基者的亚里士多德认为，自然中最基本的元素是土、空气、火和水，世间万物都是由这四种基本元素组成的。

后来随着物理学的发展，很多科学家开始站在微观的角度尝试琢磨透世界是什么。

1609年，“现代物理学之父”伽利略成功研制用于观测微观物体的显微镜，这是人类有史以来首次自己制作工具来看“微观世界”。

自此之后，现代化学也进一步发展，开始得出物质是由“分子”，再到更小的原子组成。

在化学反应中，原子是最小的单位，但物理学家可不这么觉得，他们认为还有比原子更小的存在。

1897年，英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆逊做实验时发现，当带有灯丝跟阳极的试管通电之后，管内会产生一束阴极射线，看起来还泛着绿色的荧光。

经过研究之后，这是一种带负电的粒子，并且质量比氢原子还小近两千倍。

等到1925年，法国物理学家德布罗意发现运动的粒子具有波的性质，也就是说，电子能量越大，相应的波长会更短。

按照这个原理，只要用被加速的电子束照着物体，就可以看到物体被放大的样子，因此想要看到更微观的世界要对粒子进行加速。

也就是说，想要探究更小的物质，粒子加速器是不可或缺的，但粒子加速器具体是什么呢？美国的紧凑型粒子加速器跟普通加速器又有什么不同？

什么是紧凑型粒子加速器？

简单来讲，粒子加速器可以利用加速过的高能粒子去撞击靶标粒子，这会导致靶标粒子破碎，进而对结果进行观察并且研究更小的结构。

只要注入更多能量，粒子就会不断加速，速度越大意味着可以靶标粒子撞得更加破碎，从而获取更加细小的结构。

多年以来，随着研究不断加深，现在粒子加速器能够注入更多能量，使得粒子能够达到几万公里/秒。

但是，我们研究粒子加速器不仅想要搞清楚物质到底是由什么组成的，还想要研究宇宙到底是什么？这就要求我们要建造更大的粒子加速器，这样才有可能到达宇宙各个地方。

如今全世界规模最大的粒子加速器被称为“大型强子对撞机”，这台机器位于欧洲，整个环形隧道达到27公里，在此后的某一天有可能可以达到100公里。

尽管这已经是人类目前能够建出的最大粒子加速器，但是这放在宇宙中还是非常渺小。

换个角度来想，既然人类自身能力水平有限，没有办法将粒子加速器做得更大。

但是如果可以将粒子加速器做得更小，又能够达到更高能量，那也可以将粒子撞得更碎，从而更好地看清粒子的性质跟结构。

基于这一研究思路，科学家们在1979年惊讶地发现，在等离子体中，强大的激光会产生高能粒子。

相比传统的粒子加速器，这种加速器可以在更短的距离内让粒子加速到更快的速度，甚至达到光速，因此科学家就这一发现制成紧凑型粒子加速器，又被称为激光尾流场加速器。

简单来讲，这种加速器是利用超级强大的激光去射击氦气，将它们加热成为等离子体，进而产生波，并且去击出气体中的电子，最终产生高能电子束。

如果想要达到更好的撞击效果，那么最起码要保证高能电子束品质的问题，但激光尾流场加速器恰恰难以做到这一点。

在这过程中，激光如同一块冲过水面的冲浪板，而电子就像冲浪者一样控制着等离子波，但问题在于，冲浪者难以在不被控制的时候成功进浪。

相当于大家一起在水面冲浪，结果冲着冲着就被冲散了，因此要借助摩托艇或者其他辅助工具，更好地一起进浪。

而开头提到的美国研究团队指出，纳米粒子可以很好地扮演辅助工具的角色。

在纳米粒子加入之后，使得粒子加速器可以在恰当的时间准确地释放电子。

此时激光会将电子踢出气体，尾波会拖着电子们持续高速前进，但浪花又会将它们拍打到海里，而金属纳米粒子则可以像摩托艇一样将它们拖起来，最终形成更加强大的电子束。

在研发过程中，科学家们发现，只要加入纳米粒子，那么电子束能量在最低的情况下也可以达到35亿电子伏特，最高甚至可以突破100亿电子伏特。

过去美国只有两台长度达到3公里的粒子加速器可以产生高达100亿电子伏的电子束的能量，最新这台紧凑型粒子加速器只需要20米长即可以产生同样的能量，这相当于整整缩短了150倍。

紧凑型粒子加速器有什么作用？

不过研究人员也承认，要想让紧凑型粒子加速器发挥更大的作用，还要实现可重复发射，但是紧凑型粒子加速器到底有什么作用？仅仅只是加速粒子探究物质世界吗？

这种设备的最直接作用自然是帮助人类更好地观察世界，现在粒子加速器普遍都是体积比较大的，这在一定程度上决定其需要非常大的运行空间，因此只有极小部分国家和实验室有这种设备。

而随着紧凑型粒子加速器的诞生成型，未来有望看到更大能量且体积更小的加速器，这有利于降低粒子加速器的价格或者说运行条件的严苛程度，使得有更多的人可以加入这一方面的研究。

其实所谓研究“世界是什么组成的”是基础科学的事情，基础科学就是研究世界最本质、基础规律等等。

而我们更加关注的自然是“应用科学”，即如何将一些科学原理应用到实践中去，比如过去我们研究出汽车、火车、飞机等等，而在紧凑型粒子加速器应用上，科学家们已经有了一些想法。

目前科学家们已经开始尝试让加速器用于测试电子设备在太空中抵御辐射的能力有多强，还可以用于驱动X射线自由电子激光器。

这种设备可以用于拍摄原子或者分子的细微变化，从而得到更微观的图像，也意味着这种设备还可以用于医学影像技术等等，甚至用于拍摄芯片内部。

可以预见的是，紧凑型粒子加速器正在随时准备改变科学，未来有望为半导体、癌症治疗、医学成像等带来全新的发展机遇。