美国改变科学重大突破？重新发明粒子加速器，整整缩短150倍！|电子束|激光器|x射线|等离子体-欧洲杯足彩官网

美国一个多机构合作的科学家团队，最近开发了一种紧凑型粒子加速器，让原来世界上最长的3公里直线加速器才能做到的事，现在20米长“微型”加速器就能做到了，整整缩短了150倍，被认为革命性地重新发明了加速器，是一项可能彻底改变科学的重大突破，将为医疗、半导体、材料、能源等领域的研究带来巨大进步。

物理学不存在了

物理学不存在了！你一定对这句话耳熟能详，这是三体中人类科技被智子锁死时，科学家们发出的绝望哀叹，并因此而纷纷自杀。智子是如何锁死人类科技的呢？向地球投放智子干扰人类的粒子加速器，让科学家们得不到任何有意义的结果。为什么粒子加速器失效，人类科技就被锁死了呢？因为粒子物理是人类最基础的科学，停滞不前就意味着科学已无法进步，人类的知识体系无法扩展了。

粒子加速器

粒子加速器的原理是将电子、质子等加速到极高的速度互相撞击，粉碎后探索生成物及更小碎片的性质，以了解这个宇宙最基底层面的信息，这就意味着粒子速度越快，炸得越“碎”，我们能了解的信息就越多。这就需要将加速器建得越来越大，目前最大的粒子加速器是欧洲的大型强子对撞机（lhc），圆环隧道长达27公里，未来将可能扩展到100公里，以寻找传说中的暗物质粒子。

但这仍不足以让我们回到宇宙大爆炸最初的那一刻，去探寻我们的终极起源，霍金就曾经说过，如果我们要探索宇宙弦的结构，就需要把加速器建得和银河系一样大。霍金还说，如果有足够大的加速器，我们就可以把人类发射出去进行时间旅行。

你可能就想，哎，我们建不了更大的粒子加速器，但把能量提高不就行了吗？这样小的加速器也可以解决大问题了。问题现在各种粒子加速器已经是最好的设计了，是现有科学技术的极限，如果没有新的科学，就没有办法在现有基础上把粒子加速器做小，但能量却更高。

新科学的出现

幸运的是，激动人心的一刻来了，科学家们发现了新的科学，这就是所谓的激光尾场加速！1979年，美国加州大学洛杉矶分校的田岛俊树和约翰·道森发现，强大的激光会在等离子体中激发出高能电子，并会在比传统加速器电场大3到4个数量级的极端振幅尾波电场中加速，从而在几厘米内将电子加速到数十亿电子伏特，获得近光速的相对论速度。这就像一艘快艇掠过湖面，会激起强大的尾波，尾波中的物体会跟着快艇高速前进。

此后几十年，各国都开始研究这种尾场加速技术，试图制造出科学家们梦寐以求的低成本小型桌面粒子加速器，作为科研、成像、检测等领域的研究和生产利器。

然而要建造小型粒子加速器，需要有高品质的稳定电子束，但激光尾场加速中的电子，会因为等离子密度影响、跑出相位失相、横向尾场导致的跑着跑着就跑偏等问题，导致电子束品质不高，稳定性较差。就像一群冲浪者跟在快艇后面冲浪，冲着冲着，人就沉水里或者冲出去了，导致人越来越少，队伍也散了，最后就剩不了几个人，没法去完成撞击任务了。

10厘米超越3公里

德克萨斯大学奥斯汀分校、tau systems公司、德国杜塞尔多夫海因里希·海涅大学及美国几家国家实验室研究人员组成的团队，一直在利用奥斯汀分校强大的拍瓦激光器研究尾场加速，并不断取得突破，2013年他们就在约2厘米距离上将电子束加速到了20亿电子伏特。

德克萨斯拍瓦激光器每小时可以发射一个超强光脉冲，包含的功率约为美国总装机功率的1,000 倍，但持续时间仅为 150 飞秒，不到闪电放电时间的十亿分之一。

这次研究人员开发了一个10厘米长的氦气室，作为紧凑型尾场激光加速器的关键组件，实验中该装置先充满氦气，紧接着一束辅助激光从顶部射入，打在氦气室底部的铝金属板上，射出无数金属纳米颗粒，混合到氦气中。这时强大的激光从右侧射入，撞击氦气将其加热成等离子体，形成极端振幅的尾波，踢出的高能电子就在尾波中“乘风破浪”前进。

这时候就是金属纳米颗粒大显身手的时候了！激光踢出的电子就像冲浪者，被尾波拖着前进，很容易就被大浪打翻失去速度，沉入水里，而金属纳米颗粒就像一艘艘摩托艇，可以捞起这些冲浪者，并把它们送到浪头上，获得更高的速度后再把它们放下来，从而可以在短距离内加速到更高的速度。

根据科学家们的检测，在没有金属纳米颗粒的情况下，获得的电子束能量和以前的一样，都是20亿电子伏特；而注入金属纳米粒子后，电子束最低能量达到了35亿电子伏特，最高竟超过了100亿电子伏特。

而目前美国还在运行的加速器，只有两台可以达到如此高的电子能量，但它们的长度都达到了3公里！这意味着科学家们在不到20米长（包括激光器）的加速器里，产生了真正可用的高能电子束，开发真正的桌面粒子加速器已成为可能！

理论尚无法解释

然而，科学家们也坦诚，他们还还没有很好的理论和模型来解释，为什么这个实验能产生如此高能量的电子束，鉴于等离子体长10厘米，里面还有纳米粒子，用计算机来模拟解析三维粒子也非常复杂、昂贵且不可能，未来只能通过不断实验获取数据来分析研究，所以需要高重复率的激光器。

目前研究人员已开始研发这一系统，希望能开发出每秒可发射数千次的桌面激光系统，从而打造比传统粒子加速器适用范围更广，比现在实验用的更小的真正桌面粒子加速器。那么这种加速器究竟有什么用呢？

有什么用？

除了用于粒子对撞研究，探索物理规律外，科学家们还希望用这种加速器去驱动另一种被称为x射线自由电子激光器的设备，用来拍摄原子或分子尺度过程的慢动作电影，用来研究药物与细胞的相互作用、电池内部可能导致电池着火的变化、太阳能电池板内部的化学反应及病毒蛋白质感染细胞时的形状改变等量子尺度的过程。可以想像，一旦这种粒子加速器成为现实，人类的科学就将深入到下一个我们现在还看不到的微观层面，智子的封锁也就彻底失败了！

中国在激光尾场加速器研发中虽然起步较晚，但发展很快，取得了多项突破进展，目前已实现了10亿电子伏特级别的电子加速。尤其是上海光机所在x射线自由电子激光研究方面已取得重大技术突破，获得2021年7月22日《自然》杂志的封面推荐。

有趣的是，世界上第一台粒子加速器，是1930年加州大学伯克利分校物理学家欧内斯特·劳伦斯创建的，这是一个环形粒子加速器，直径不到12.7厘米，也就是长40厘米，可以把质子加速到8万电子伏特。近百年之后，人类将可能建造出差不多同样大小的粒子加速器，只是这次，可能会将电子在10厘米内加速到100亿电子伏特。巨大的进步意味着巨大的付出，希望科学家们的付出，能够给人类文明带来更加美好的未来。

这项研究发表在11月15日《物质与辐射》杂志上。

论文：doi.org/10.1063/5.0161687