为什么研究小小的基本粒子，要用巨大的加速器

科普中国网 2017-09-04

　　作者：朱伟

　　1979年9月4日，华裔美籍物理学家丁肇中领导的高能物理实验小组，在西德汉堡的一台高能加速器上找到一种新粒子——胶子。现在，让我们来了解一下，为什么研究粒子都要用加速器！

　　基本粒子是目前人们直接观察到的最小的粒子。

　　基本粒子究竟有多么小？如果有一种放大镜能把乒乓球放大到地球那样大，按同样的放大倍数来看基本粒子，也不过像一只乒乓球那样大。把一万亿个基本粒子排成一列横队，叫这列横队齐步穿过缝衣针的小孔，也还绰绰有余。为了研究这小小的基本粒子，物理学家却动用了直径大到2千米的高能加速器，这是为什么呢？原来，在微观世界中，物质运动的规律同我们平时生活中所见到的完全不同。在宏观世界里，粒子运动的时候，总有一条明确的轨迹；波动则是以弥漫于空间的形式出现的。因此，粒子就是粒子，波就是波，谁也不会把它们混淆起来。

　　20世纪初，当物理学家的研究深入到分子、原子以及更深的层次时，却发现这些微小的粒子，有许多奇怪的行为，不能用以往的经验来解释。法国有一位历史学家叫路易斯•徳布罗意，他受到研究实验物理学的哥哥的影响，改行研究物质结构。1924年，他向巴黎大学理学院递交了一篇博士论文，在论文中他提出了一种新观点，认为任何一个粒子的运动都有一种波和它伴随，并影响到粒子的运动。这种波的波长，和粒子的动量成反比。由于我们肉眼所看到的物体质量太大，用德布罗意的公式来计算波长就非常之短，观察不到这种波的影晌。可是，对于原子和分子世界中的粒子来讲，这种波的行为却很强烈。徳布罗意认为，只要承认这个假定，就可以解释如原子这类粒子的许多反常的行为。开始，大家对他的说法将信将疑，不久实验证实了徳布罗意的观点。这位新博士因此获得了诺贝尔奖。

　　物理学家在探索微观世界时，经常采用的一种方法是把一束已知性质的基本粒子作为炮弹，去轰击所要研究的某种未知的基本粒子，通过观察它们之间的相互作用，来研究靶粒子的性质。在研究基本粒子的时候，为了看清它的结构，作为炮弹的基本粒子的波长，应该越短越好，或者是它们的动量越大越好；否则，由于波动的强烈干扰，很难对靶粒子作出精确的测量。可是，粒子朿的能量越大，它们就越难驯服，就是要它们转个弯也很不简单。解决的办法，只能把加速器的“跑道”弯曲的程度尽量减小，这样加速器的直径也就越来越大了。

　　著名的意大利原子物理学家恩里科•费米，曾风趣地说过：如果人们想要制造一台能量达到宇宙射线那样的加速器，这台加速器的圆周就会大得足以套到地球的赤道上。但是，人们相信，将来利用某种新技术(如超导技术)，可以使加速器的尺寸大为缩小。不过，从目前的情况来看，物理学中研究的对象越小，使用的仪器设备确实是越来越大了。