我們需要粒子加速器的十個理由

方陵生

粒子加速器（Particle Accelerator）的體積通常極為龐大，位于美國芝加哥附近的費米實驗室的萬億電子伏加速器（Tevatron）周長為6千米，而歐洲核子研究組織（CERN）的大型強子對撞機（Large Hadron Collider，LHC）的周長則是它的4.5倍。它不但體型巨大，而且造價極其昂貴。

從某種意義上來說，粒子加速器只是純粹的研究儀器，似乎離我們普通人的日常生活很遙遠。但這些機器并非除了研究之外就沒有其他用武之地了。事實上，粒子加速器早在幾十年前，就已經走出研究實驗室，進入了實際應用領域，而且研究人員還一直在開發粒子加速器的新應用。例如，伊利諾伊州加速器中心費米實驗室（IARC）的主任羅伯特·科法特（Robert Kephart），與伊利諾伊州商業和經濟機會部（DCEO）正在合力進行更多加速器實際應用的科學研究與開發。

也許，你對以下10種加速器的應用聞所未聞，但粒子加速器的百般神奇確實出人意料，且常常給我們帶來巨大的驚喜——粒子加速器離我們并不遙遠。

加速器使用電磁力加速帶電粒子，由此產生的粒子束可沿設定的方向運動。當移動著的帶電粒子經過某個原子時，就能與原子中的電子相互作用，改變其運行軌道和連結方式，導致一些化合物分解并與其他元素結合而形成新的聚合物。

加速器的這種能力在工業上的應用最早可以追溯到上世紀80年代。曾經，薯片袋的封口是將兩層鋁箔用膠水粘在一起，但在快速運行的工業傳送帶上，人們顯然不愿為了膠水干透等待太長的時間。但加速器就能解決這個難題——電子束可以讓膠水物質在瞬間聚合。

與石油相比，我們顯然更難駕馭天然氣——必須利用管道進行運輸，而不能直接運送至所需市場。這也是為什么天然氣管道事故頻發，不是爆炸起火就是發生泄漏，導致每年都有數千萬升的天然氣“憑空蒸發”的原因。這不但浪費了大量資源，而且對環境造成了極大污染。據西部價值項目（Western Values Project）估計，2013年，僅美國浪費的天然氣就足夠滿足洛杉磯或芝加哥全年所需。

其實，我們可以通過化學反應將天然氣轉化成液態烴或石油，但這個過程需要高溫、高壓，只有在大型工廠才能實現。而加速器可以通過發射電子束來打破碳氫鍵，改變天然氣的化學構成，使其重新結合成鏈狀聚合物，達到同樣的效果。據科法特稱，這一想法理論上可行，但目前還只停留在未來技術的遠景設想階段。

如果你在一些國家，看見食品包裝袋上印有“Radura”標志，這就表明袋內食物已經接受過電子束輻照滅菌。目前，已有40多個國家采用這項技術來殺死蘋果、草莓和菠菜等產品中的沙門氏菌和大腸桿菌等微生物。費米實驗室加速器物理中心主任弗拉迪米爾·希爾瑟夫（Vladimir Shiltsev）說，精確校正的電子束可以摧毀病原體，但對食品本身不會產生任何影響。

原來，越復雜的分子越容易被電子束破壞，而細菌的DNA要比植物的DNA復雜得多，所以它們會被首先分解。與有可能產生意外核事故的放射性同位素不同，電子束完全在人們的掌控之中。另外，與質子和中子不同，它們也不會破壞原子核。同理，輻照滅菌器發射電子束技術還被用于醫療器具消毒。輻照來自于加速器，關掉開關，輻照就會立即停止。

煤炭燃燒會產生大量的煙道氣體，如二氧化氮、二氧化硫等。這些氣體若與大氣中的水分發生反應，就會變成硫酸和硝酸，最終以酸雨的形式“回歸”地面。但如果這些氧化物與氨氣（NH3）混合，并接受電子束的放射，就可以轉化成硫酸銨和硝酸銨，也就是普通的肥料。此外，靜電式或離子式粒子分離器還可將這個化學反應產生的塵埃粒子收集起來，施放到田地里。

依照最樂觀的估計，即使再生能源和核能迅速崛起，未來20年內，煤炭仍然將為我們提供所需能量的20%。而這個方法能讓燃煤更符合環保要求，使煤炭可能成為清潔能源。目前，加拿大的PAVAC公司正在致力于率先開發這項技術。

加速器可以清除污水、污泥中的氮和磷，以及水體中的激素和抗生素藥物殘余，前者導致藻類大量滋生，而后者直接危害海洋魚類。加速器可將藥物殘余分解為無害化合物，電子束還可以將水離子化，產生H3O和OH的自由基，創造非常利于發生氧化還原反應的環境。這種方法同樣可以把復雜的藥物化合物分解成基本元素，同時殺死病原體。經電子束輻照的污染物可以直接施放到菜地里作為肥料。

上世紀90年代初，美國邁阿密就已經建造了一座利用加速器清理城市垃圾的試驗工廠。盡管工廠已能正常運作，但這項技術還未能解決所有問題，因此一直未能實現商業化運作。

分解分子和破壞病原體DNA并不是加速器唯一強大的本領，加速器還能用來開發電腦芯片新材料。計算機芯片產業依賴于一種被稱為“摻雜”的技術，即用加速器將硼和磷離子植入硅層中。這些離子帶正電荷，所以加速器可以利用電磁場來控制這些離子束的方向，將離子精準地滲透進硅晶片，從而改變材料的電導性能，為科研人員研發電腦芯片新材料創造有利條件。

電子束并不是可以用來殺死有害微生物的唯一帶電粒子，質子也可以用來摧毀腫瘤細胞，且用于放療效果更佳。因為它們比電子的穿透力更強，可以直接穿透身體組織，卻又幾乎不會對人體正常組織造成傷害，且在找到獵殺目標時就會停下來，準確殺死腫瘤細胞。

1946年，美國物理學研究中心——費米實驗室的第一任主任羅伯特·威爾遜（Robert Wilson）提出，科學家可以調整加速器，將其產生的粒子束釋放到腫瘤的精確位置，殺死腫瘤細胞，同時減小對其周圍組織的傷害。1990年，第一個醫用質子束加速器在洛馬林達大學醫學中心（Loma Linda University Medical Center）開始運作，如今已有17000多名病人在那里接受了質子加速器的治療。

粒子加速器之最

目前，世界上最大、能量最高的粒子加速器，是位于瑞士日內瓦附近的大型強子對撞機（LHC），它于2008年9月10日正式開始運作。該加速器位于地下100米深的隧道內，總長約27千米，總撞擊能量可達14 TeV（兆兆電子伏特），項目總投資達39億歐元。

傳統核反應堆都是臨界反應堆，它們會產生過量的中子，需要由控制棒來進行吸收調節。但問題是，核反應堆控制棒有可能出現機械故障，導致反應失控。而由粒子加速器驅動的次臨界系統則可以直接控制中子數量，而不是等產生過量的中子之后，再想辦法吸收消耗。

在加速器驅動的原子反應堆中，質子束撞擊重金屬靶核產生中子，以此驅動核裂變反應。科法特指出，這種設計更安全，因為“關掉加速器，核反應就會停止。”此外，加速器驅動的反應堆還可以將現有核廢料分解轉化為半衰期較短的同位素。雖然該設想目前還未成為現實，但歐洲、印度和中國都在研發這種反應堆。

便攜式中子發生器（中子管）通過一種叫做“中子測井”的技術，可以幫助人們勘探石油、天然氣和水資源。將中子發生器放置到勘探鉆孔中，加速器產生的中子在穿過鉆孔周圍的土地時，會與各種元素的原子核發生反應。人們可以利用伽馬射線探測器，捕捉到這個過程中產生的伽馬射線，而勘探人員則可根據信號強弱來確定地下資源的類型。

μ介子加速器可以幫助我們實現真正的穿墻視物。μ介子是一種與電子相似的亞原子，但它的質量要大得多，可以輕易穿過厚重的金屬墻壁和容器，與核材料發生反應。假如駛過邊境的卡車里藏有核裂變材料，穿過卡車的μ介子就會產生可被檢測到的高能伽馬射線。

這一性能使得μ介子加速器成了幫助識別核威脅的有力工具。例如，攜帶μ介子加速器的直升機飛過水面時，可向船只發射μ介子射線。“你可以遠程發送輻射，射線會選擇性地與船上的物質相互作用，只要了解這些物質材料的特性，就可以確定船上是否攜帶有核彈部件。”

大千世界是由什么組成的？從古至今，人類不斷思考、探索這個問題。古代哲人只能憑自己的所見所聞去推斷，但隨著科學技術的發展，人們開始采用各種實驗方法來驗證自己的思維。

粒子加速器與顯微鏡不同，它并不能直接觀察它的研究對象，而是通過“打靶”、“轟擊”等來改變對象的狀態，人們通過分析改變后的結果，了解微觀物質的組成和運動規律。人類究竟為什么需要粒子加速器？我國著名加速器物理學家謝家麟曾說過：“粒子加速器是人類認識微觀世界的手段。”也許，這一個理由就已足夠。