手绘科普：<三体>中的科学3 - 高能加速器和前沿科学

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在<三体>里，智子靠干扰加速器来锁死人类的科技发展。为什么没有加速器就没有前沿物理？智子是怎么做成干扰的呢？我们来看看什么是粒子加速器。

粒子加速器顾名思义是用来把比原子戓更小的粒子加速，通常到接近光速的水平。这么小的粒子，只能用电力场或磁场来进行加速, 所以粒子一定要有电荷，例如电子，质子或离子(ions -就是带电荷的原子）。粒子加速器分两种。第一种是静电力加速器(Electrostatic accelerator)。这种加速器的正负电极间有非常大的电压差。因为电荷间的同性相拒，异性相吸，这个电压差会把正荷粒子往负电极推，或负荷粒子往正电极推而形成加速。电压差越大，加速越大，粒子的能量也越大。最先进的静电力加速器的电极电压差可以达到几百万伏特。在这种情况下，粒子的能量值就是几百万电子伏(electron volt eV) 。听上去很多，实际上没多少。—百万电子伏(1 MeV)离高能物理所需要的能量还差很远。可是来应付日常需求和应用物理的研究就卓卓有馀了。全球现在有三万多台静电力加速器，最主要用於放射性治疗(用加速器生产放射性原子), 半导体离子植入(ion implantation), 还有材料研究。

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高能物理学所需要的能量是千兆电子伏(GeV)的能量级。要把粒子加速到这个能量级只能用电磁力加速器(electromagnetic accelerator) 。电磁力加速器用磁场去把粒子推动，就像一辆磁浮列车被轨上的磁铁推动一样。因为生产强大的磁场比生产强大的电压容易，所以电磁力加速器能夠制造更高能的粒子。电磁力加速器中还有一种环形设计的，粒子可以在加速环里一直不停的加速，从而达到千兆电伏级的高能量。全球只有为数不多的加速器能够满足这个要求。其中最出名的是在日內瓦CERN的 Large Hadron Collidier(LHC)。

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那前沿物理，科技和加速器有什么关连？首先，我们要了解一个事实，就是所有科技原於物理。第一次工业革命源於对能量转换的理解和熟练。电子的发现引发了半导体革命和互联网时代。原子核和量子力学带给了我们核能，激光，现代化学和材料工業，和量子通讯。可以看到，每个時代的前沿物理都带动了下个世纪的科技发展。所以前沿科学被锁死对科技发展是毁灭性的。

我们现代最前沿的物理，就是理解基本粒子之间的相互作用，和創出一个可以统一所有粒子和力场的物理理论(theory of everything)。现有最完善的物理理论是所谓的标准模型(The Standard Model) 。在这个理论里，所有物质都是由12种基本粒子组成,而宇宙中的三大原力，电磁力，弱相互力和强相互力则由四种不同的粒子去传递。在标准模型中，这三大原力在宇宙刚诞生的高能情况下会合为一体。另外，还有一个叫希格斯玻色子(Higgs Boson)的粒子，是给所有物质赐予质量的上帝粒子(God Particle)。

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在标准模型中，有些粒子的质量是大於千兆电伏（质量可以以爱因斯坦的E=mc²转化成能量），所以要产生这些粒子去认证标准模型就需要粒子加速器用大於千兆电伏的能量把两个粒子碰撞在一起。其中，希格斯玻色子就是在2013年用LHC把两个质子碰撞而发现的。可是，标准模型並不完整。标准模型解释不了量子化的引力，也不能解释宇宙澎涨和暗物质。所以物理学家需要用更加高能的粒子碰撞继续去循找答案。而智子的干扰就是去参与碰撞而扰乱结果，让前沿物理无法往前。

若果智子真的把粒子物理锁死，我们还是有其他方法探索前沿物理的。宇宙观测是其中之一。我们观测得越远，信息来原就离宇宙大爆炸越近，说不定可以从中得到新的物理。另外，现在很多前沿物理都是以理论进行的，例如超对称（supersymmetry) 和弦论(string theory) 。虽然最好是有实验证明，但是在实验被锁死的情况下，应该还是可以用理论和数学再走一段。其实，从物理历史上很多物理和应用科技是从制造实验器材时获得的。例如超导体技术就是从加速器设计中发展起来的。所以就算知道最后的实验结果是错误的，还是可以把实验进行到底，说不定从中就可以得到新成果。

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参考资料：
https://en.wikipedia.org/wiki/Particle_accelerator
https://en.wikipedia.org/wiki/Standard_Model