从直线加速器到环形加速器 基础物理学实验变得越来越昂贵

物理学终究是一门实证科学，而基础物理学实验在过去的一百多年里变得越来越昂贵。

我们回顾下加速器发展史

在建造粒子加速器时，信条一直是“更大、更快、更好”。

回顾一下“原子粉碎机”的历史以及它们带来的科学进步。

分裂原子的机器

建造加速器的主要动机出现在 20 世纪初，当时欧内斯特·卢瑟福 (Ernest Rutherford) 于 1919 年发现他可以通过用来自天然放射源的 α 粒子轰击氮原子来分裂它们。为了继续他的研究，他需要一种比天然放射源提供的能量更高、强度更高的“子弹”。在卢瑟福的鼓励下，1932 年考克罗夫特和沃尔顿使用 400 kV 发电机加速质子并将它们射到锂靶上，这导致了第一次完全由人控制的原子分裂。

使用直流电压的粒子加速，如 Cockroft-Walton 发电机和后来的 Van de Graaff 发电机，受到机器可以提供的最大电压的限制。为了克服这个限制，瑞典物理学家 Ising 提出了共振加速原理，其中通过一系列连接到射频发生器的漂移管重复施加相同的电压。这被认为是粒子加速器的真正诞生，事实上，当前这一代线性对撞机仍然依赖于相同的原理。Rolf Winderöe 于 1928 年在德国率先建造了这种加速器，以产生50 keV的钾离子。

从直线加速器到环形加速器

直线加速器 (linac) 的一个缺点是漂移管的长度必须随着速度的增加而增加，这使得机器相当大并且难以为高能量建造。

1929 年，欧内斯特劳伦斯提出了更紧凑的回旋加速器，它可以沿着磁场引导的螺旋路径加速粒子。劳伦斯与他的学生 M. Stanley Livingston 一起建造了第一个回旋加速器，它的直径只有 4 英寸，但可以将质子加速到1.25 MeV。回旋加速器最终使产生能量比放射源高得多的粒子成为可能，并且在 1950 年代另一种技术出现之前，它一直是最强大的加速器类型。

同步加速器

随着粒子开始接近光速，由于相对论效应，它们变慢了，一些能量变为相对论质量，因此它们与回旋加速器的射频电场失去同步。这通过改变射频频率和机器来补偿，并被称为同步回旋加速器。后来，随着粒子速度的增加，引导磁场也逐渐增加，以便粒子在恒定轨道上移动。这就是同步加速器的诞生。

最后的进步是通过从固定目标加速器转移到存储环对撞机。由于可用于产生新粒子的能量是在碰撞的质心坐标系中给出的，因此正面碰撞粒子比向固定目标发射光束要高效得多。

大量新粒子产生

虽然在 1950 年代之前，新粒子主要是通过宇宙射线发现的，但同步加速器等强大的加速器预示着粒子物理学的“黄金时代”。这些新机器导致发现了许多亚原子粒子，如下表所列。

在更小尺度上研究原子的结构并能够产生更高质量的粒子，这推动了具有更高能量的加速器的发展。在同步加速器中，要达到更高的能量需要更大的半径或更强的磁场。因此，超导磁铁的使用以及在地下建造对撞机的可能性，在运行机器的实验室不拥有的财产之下，这使得大型对撞机如 LHC 的建造成为可能。

从卢瑟福的装置到今天的 LHC，加速器变得越来越大、越来越贵、建造周期越来越长，需要越来越多的工作人员去操作。

今天，拥有 27 公里周长和 75 亿欧元预算的大型强子对撞机 (LHC) 仍然是有史以来最大和最昂贵的科学仪器，但它的物理计划正在慢慢结束。2027 年，它将进行最后一次重大升级，称为高亮度 LHC，预计将在 2038 年完成运营。但那些雄心壮志的家伙们仍然不满足于此，他们还将计划建造 100 公里的新一代对撞机，而新一代对撞机造价高达几百亿欧元。

在基础物理学领域，自上世纪 70 年代年代中期粒子物理学标准模型完成以来，我们没有看到任何突破性的进展。从那时起，我们用于描述观察的理论一直没有大的改变。当然，这些理论的某些方面后来才被实验证实。最后一个有待证实的粒子是 1960 年代预测的希格斯玻色子，在 2012 年被探测证实。但引力量子化、暗物质、量子测量等问题，在今天看来和几十年前是一样的。

这种停滞的主要原因是物理学发生了变化，但物理学家并没有改变他们的方法。随着物理学的进步，通过实验探索基础变得越来越困难。技术进步并没有使规模和费用保持可控。这就是为什么在今天的物理学中，我们需要成千上万人合作来操作机器，耗资数十亿美元。

随着实验的减少，偶然的发现变得越来越不可能。如果没有这些发现，保持实验在经济上可行所需的技术进步永远不会实现。这是一个恶性循环：昂贵的实验导致缺乏进展。缺乏进展会进一步增加实验成本。当实验变得过于昂贵而无法负担时，这个循环最终必须进入死胡同。

物理学家仍然像 19 世纪那样按照“只是看”的想法进行操作。他们不会考虑哪些假设是有希望的。

上世纪 70 年代以后的物理学基础实验只证实了已经存在的理论。没有人发现任何超出我们已知范围的证据。

我们需要新的方法，更好的方法。

另外，我们似乎是被关在一个信息屏蔽的‘房间’里，我们只能够对房子里面的事物有较清楚的认识，而对房子外面的事物的认识是模糊的。而且就算技术获得突破，我们依然受限。一方面，信息在空间和时间上的传播，会随着时空距离衰减。我们对越古老的东西的认识越模糊，对越远的事物了解的越少。比如，我们去看四光年外的比邻星，我们只能看到它微弱的光点，而 1.5 亿公里外的太阳的光热要比比邻星强无数倍，而宇宙的尺度远远大于比邻星到我们的距离。对于 138 亿年前的释放超级能量的宇宙大爆炸，在今天只有 2.7 开的微波，需要用先进的太空望远镜才能看到细微的差异。另一方面，受制于光速，我们得到的信息永远都是延时的。比如，我们现在去看比邻星，也只能看到那里四年前发生的故事，至于‘三体人’之间正在爆发的太空大战，我们是一无所知的。所以，我们对外面的世界显得非常的无知，而技术并不能帮助我们跨过时空尺度。

还有一点，我们作为碳基生物，我们的生命依赖于脆弱的有机物，我们在存活的时候需要进行大量的生化反应、需要大量的物质交换，这个过程是在无休止的消耗着机体，而这些持续的消耗往往是不可逆的。所以我们的生命是非常有限的，我们生命的活力峰值也是短暂的，就是二十七八的前后五六年。而我们的数学物理学等基础知识在过去几百年快速丰富，但我们每天的学习时间相比于几百年前的人并没有增加多少，我们的学习速度也不会比牛顿那个时代的人快多少。对于基础物理的很多方向，我们在进入本科后可能需要长达十年的时间才能学够足够的知识。我们学了足够的知识后，可能已经过了创造力的峰值。这也是很无奈的。当然在这一点上，未来高智能化的计算机或许能带来改变。(yang元祐)

关键词： 直线加速器 环形加速器 基础物理学 加速器发展