我們需要粒子加速器的十個(gè)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(guó)芝加哥附近的費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的萬(wàn)億電子伏加速器（Tevatron）周長(zhǎng)為6千米，而歐洲核子研究組織（CERN）的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（Large Hadron Collider，LHC）的周長(zhǎng)則是它的4.5倍。它不但體型巨大，而且造價(jià)極其昂貴。

從某種意義上來(lái)說(shuō)，粒子加速器只是純粹的研究?jī)x器，似乎離我們普通人的日常生活很遙遠(yuǎn)。但這些機(jī)器并非除了研究之外就沒(méi)有其他用武之地了。事實(shí)上，粒子加速器早在幾十年前，就已經(jīng)走出研究實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，而且研究人員還一直在開(kāi)發(fā)粒子加速器的新應(yīng)用。例如，伊利諾伊州加速器中心費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室（IARC）的主任羅伯特·科法特（Robert Kephart），與伊利諾伊州商業(yè)和經(jīng)濟(jì)機(jī)會(huì)部（DCEO）正在合力進(jìn)行更多加速器實(shí)際應(yīng)用的科學(xué)研究與開(kāi)發(fā)。

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

加速器使用電磁力加速帶電粒子，由此產(chǎn)生的粒子束可沿設(shè)定的方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)移動(dòng)著的帶電粒子經(jīng)過(guò)某個(gè)原子時(shí)，就能與原子中的電子相互作用，改變其運(yùn)行軌道和連結(jié)方式，導(dǎo)致一些化合物分解并與其他元素結(jié)合而形成新的聚合物。

加速器的這種能力在工業(yè)上的應(yīng)用最早可以追溯到上世紀(jì)80年代。曾經(jīng)，薯片袋的封口是將兩層鋁箔用膠水粘在一起，但在快速運(yùn)行的工業(yè)傳送帶上，人們顯然不愿為了膠水干透等待太長(zhǎng)的時(shí)間。但加速器就能解決這個(gè)難題——電子束可以讓膠水物質(zhì)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(jìn)行運(yùn)輸，而不能直接運(yùn)送至所需市場(chǎng)。這也是為什么天然氣管道事故頻發(fā)，不是爆炸起火就是發(fā)生泄漏，導(dǎo)致每年都有數(shù)千萬(wàn)升的天然氣“憑空蒸發(fā)”的原因。這不但浪費(fèi)了大量資源，而且對(duì)環(huán)境造成了極大污染。據(jù)西部?jī)r(jià)值項(xiàng)目（Western Values Project）估計(jì)，2013年，僅美國(guó)浪費(fèi)的天然氣就足夠滿足洛杉磯或芝加哥全年所需。

其實(shí)，我們可以通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將天然氣轉(zhuǎn)化成液態(tài)烴或石油，但這個(gè)過(guò)程需要高溫、高壓，只有在大型工廠才能實(shí)現(xiàn)。而加速器可以通過(guò)發(fā)射電子束來(lái)打破碳?xì)滏I，改變天然氣的化學(xué)構(gòu)成，使其重新結(jié)合成鏈狀聚合物，達(dá)到同樣的效果。據(jù)科法特稱，這一想法理論上可行，但目前還只停留在未來(lái)技術(shù)的遠(yuǎn)景設(shè)想階段。

如果你在一些國(guó)家，看見(jiàn)食品包裝袋上印有“Radura”標(biāo)志，這就表明袋內(nèi)食物已經(jīng)接受過(guò)電子束輻照滅菌。目前，已有40多個(gè)國(guó)家采用這項(xiàng)技術(shù)來(lái)殺死蘋果、草莓和菠菜等產(chǎn)品中的沙門氏菌和大腸桿菌等微生物。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室加速器物理中心主任弗拉迪米爾·希爾瑟夫（Vladimir Shiltsev）說(shuō)，精確校正的電子束可以摧毀病原體，但對(duì)食品本身不會(huì)產(chǎn)生任何影響。

原來(lái)，越復(fù)雜的分子越容易被電子束破壞，而細(xì)菌的DNA要比植物的DNA復(fù)雜得多，所以它們會(huì)被首先分解。與有可能產(chǎn)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(zhì)子和中子不同，它們也不會(huì)破壞原子核。同理，輻照滅菌器發(fā)射電子束技術(shù)還被用于醫(yī)療器具消毒。輻照來(lái)自于加速器，關(guān)掉開(kāi)關(guān)，輻照就會(huì)立即停止。

煤炭燃燒會(huì)產(chǎn)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(fā)生反應(yīng)，就會(huì)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(zhuǎn)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(gè)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的塵埃粒子收集起來(lái)，施放到田地里。

依照最樂(lè)觀的估計(jì)，即使再生能源和核能迅速崛起，未來(lái)20年內(nèi)，煤炭仍然將為我們提供所需能量的20%。而這個(gè)方法能讓燃煤更符合環(huán)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(kāi)發(fā)這項(xiàng)技術(shù)。

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(dǎo)致藻類大量滋生，而后者直接危害海洋魚(yú)類。加速器可將藥物殘余分解為無(wú)害化合物，電子束還可以將水離子化，產(chǎn)生H3O和OH的自由基，創(chuàng)造非常利于發(fā)生氧化還原反應(yīng)的環(huán)境。這種方法同樣可以把復(fù)雜的藥物化合物分解成基本元素，同時(shí)殺死病原體。經(jīng)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(jì)90年代初，美國(guó)邁阿密就已經(jīng)建造了一座利用加速器清理城市垃圾的試驗(yàn)工廠。盡管工廠已能正常運(yùn)作，但這項(xiàng)技術(shù)還未能解決所有問(wèn)題，因此一直未能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)作。

分解分子和破壞病原體DNA并不是加速器唯一強(qiáng)大的本領(lǐng)，加速器還能用來(lái)開(kāi)發(fā)電腦芯片新材料。計(jì)算機(jī)芯片產(chǎn)業(yè)依賴于一種被稱為“摻雜”的技術(shù)，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(chǎng)來(lái)控制這些離子束的方向，將離子精準(zhǔn)地滲透進(jìn)硅晶片，從而改變材料的電導(dǎo)性能，為科研人員研發(fā)電腦芯片新材料創(chuàng)造有利條件。

電子束并不是可以用來(lái)殺死有害微生物的唯一帶電粒子，質(zhì)子也可以用來(lái)摧毀腫瘤細(xì)胞，且用于放療效果更佳。因?yàn)樗鼈儽入娮拥拇┩噶Ω鼜?qiáng)，可以直接穿透身體組織，卻又幾乎不會(huì)對(duì)人體正常組織造成傷害，且在找到獵殺目標(biāo)時(shí)就會(huì)停下來(lái)，準(zhǔn)確殺死腫瘤細(xì)胞。

1946年，美國(guó)物理學(xué)研究中心——費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的第一任主任羅伯特·威爾遜（Robert Wilson）提出，科學(xué)家可以調(diào)整加速器，將其產(chǎn)生的粒子束釋放到腫瘤的精確位置，殺死腫瘤細(xì)胞，同時(shí)減小對(duì)其周圍組織的傷害。1990年，第一個(gè)醫(yī)用質(zhì)子束加速器在洛馬林達(dá)大學(xué)醫(yī)學(xué)中心（Loma Linda University Medical Center）開(kāi)始運(yùn)作，如今已有17000多名病人在那里接受了質(zhì)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(nèi)瓦附近的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC），它于2008年9月10日正式開(kāi)始運(yùn)作。該加速器位于地下100米深的隧道內(nèi)，總長(zhǎng)約27千米，總撞擊能量可達(dá)14 TeV（兆兆電子伏特），項(xiàng)目總投資達(dá)39億歐元。

傳統(tǒng)核反應(yīng)堆都是臨界反應(yīng)堆，它們會(huì)產(chǎn)生過(guò)量的中子，需要由控制棒來(lái)進(jìn)行吸收調(diào)節(jié)。但問(wèn)題是，核反應(yīng)堆控制棒有可能出現(xiàn)機(jī)械故障，導(dǎo)致反應(yīng)失控。而由粒子加速器驅(qū)動(dòng)的次臨界系統(tǒng)則可以直接控制中子數(shù)量，而不是等產(chǎn)生過(guò)量的中子之后，再想辦法吸收消耗。

在加速器驅(qū)動(dòng)的原子反應(yīng)堆中，質(zhì)子束撞擊重金屬靶核產(chǎn)生中子，以此驅(qū)動(dòng)核裂變反應(yīng)。科法特指出，這種設(shè)計(jì)更安全，因?yàn)椤瓣P(guān)掉加速器，核反應(yīng)就會(huì)停止?！贝送?，加速器驅(qū)動(dòng)的反應(yīng)堆還可以將現(xiàn)有核廢料分解轉(zhuǎn)化為半衰期較短的同位素。雖然該設(shè)想目前還未成為現(xiàn)實(shí)，但歐洲、印度和中國(guó)都在研發(fā)這種反應(yīng)堆。

便攜式中子發(fā)生器（中子管）通過(guò)一種叫做“中子測(cè)井”的技術(shù)，可以幫助人們勘探石油、天然氣和水資源。將中子發(fā)生器放置到勘探鉆孔中，加速器產(chǎn)生的中子在穿過(guò)鉆孔周圍的土地時(shí)，會(huì)與各種元素的原子核發(fā)生反應(yīng)。人們可以利用伽馬射線探測(cè)器，捕捉到這個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生的伽馬射線，而勘探人員則可根據(jù)信號(hào)強(qiáng)弱來(lái)確定地下資源的類型。

μ介子加速器可以幫助我們實(shí)現(xiàn)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(zhì)量要大得多，可以輕易穿過(guò)厚重的金屬墻壁和容器，與核材料發(fā)生反應(yīng)。假如駛過(guò)邊境的卡車?yán)锊赜泻肆炎儾牧?，穿過(guò)卡車的μ介子就會(huì)產(chǎn)生可被檢測(cè)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(shí)別核威脅的有力工具。例如，攜帶μ介子加速器的直升機(jī)飛過(guò)水面時(shí)，可向船只發(fā)射μ介子射線?！澳憧梢赃h(yuǎn)程發(fā)送輻射，射線會(huì)選擇性地與船上的物質(zhì)相互作用，只要了解這些物質(zhì)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(gè)問(wèn)題。古代哲人只能憑自己的所見(jiàn)所聞去推斷，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們開(kāi)始采用各種實(shí)驗(yàn)方法來(lái)驗(yàn)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(duì)象，而是通過(guò)“打靶”、“轟擊”等來(lái)改變對(duì)象的狀態(tài)，人們通過(guò)分析改變后的結(jié)果，了解微觀物質(zhì)的組成和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。人類究竟為什么需要粒子加速器？我國(guó)著名加速器物理學(xué)家謝家麟曾說(shuō)過(guò)：“粒子加速器是人類認(rèn)識(shí)微觀世界的手段?！币苍S，這一個(gè)理由就已足夠。