研究小小的基本粒子为啥要用巨大的加速器

作者：朱伟

　　1992年2月18日，建造在法国东南部城市格雷诺布尔的欧洲电子同步加速器首次试验获得成功，能量为6吉电子伏的电子束，以30万千米/秒的速度在周长850米的巨大储存环中飞速循环。那么，为什么研究基本粒子要用巨大的加速器呢？

　　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兵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两千米的高能加速器，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;波动却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，就可以解释像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1929年诺贝尔物理学奖。

　　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。

　　关键词：加速器

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