人类创造的极限速度，仅比光慢3.6毫米秒！加速器如何加速粒子？

今天我们来谈谈速度。在我们生活的世界里，有一个速度限制，即光在真空中传播的速度。人类在上个世纪知道这个基本原理后，就一直在努力接近它，甚至想超越这个速度极限。

我们知道真空中的光速是299,792,451，8米每秒，也就是我们常说的C，宇宙中所有无质量粒子所固有的，除了光子，还有8个胶子，就是传递强力的作用粒子，当然还有引力子，天生就是以光速运动的。

不过可惜的是，构成世间万物的粒子并不是上面的玻色子，而是具有质量的费米子。只要有质量，狭义相对论就限制它们达到光速，更不能超过光速。原因也很简单，因为物理学不允许违反现实的因果关系，我们必须坚持光速极限的基本原则。

话虽如此，我们还是要有质量的费米子来突破光速极限！相信大家听说过中微子超光速的报道。中微子的自旋是1/2，是半整数，所以是费米子，和电子一样是轻子家族的一员。一个已知质量最低的基本粒子，甚至是宇宙中第二轻的电子，都比中微子重数十万倍。

所以当中微子超光速的报道出来的时候，科学界震惊了，因为人们认为中微子太小了，可能真的超光速了，但是后来发现这是一个完整的骚动。实验数据乱七八糟。

然而，人类一直没有放弃超光速的想法。虽然我们无法在自然界中找到快子粒子，但我们在实验室中仍然拥有强大的工具。粒子加速器，顾名思义，就是提高粒子速度或能量的一种装置。

事实上，建造粒子加速器的目的不是为了验证宇宙的速度极限，也不是为了打破速度极限，而是为了了解物质的结构，寻找新粒子的大型设备。不过，这个实验的过程，也是我们人类创造极限速度的过程。地方。问题是我们如何通过加速器加速粒子？粒子加速器是如何加速粒子的？

加速器也叫对撞机。最早的对撞机模型可以追溯到上个世纪在曼彻斯特工作的卢瑟福。时间是在1907年左右，这一年，它用α粒子打金箔，观察到大量的α粒子。粒子被金原子散射后的偏转角。通过这个实验，他知道原子的大部分质量都集中在一个小核心里，电子围绕着这个核心旋转。这是人类对原子结构最重要的时期。探测。

那么作为探针的α粒子是怎么来的呢？当时，卢瑟福使用的α源是放射性元素镭。镭能以约2.5×10m/s的速度自然释放α粒子，约为光速的1/10。所以当时卢瑟福用这个速度的阿尔法粒子，我们可以了解原子的内部结构。

但是随着科学的发展，人们想要了解原子内部的粒子结构，甚至想知道这些粒子本身的内部结构，那怎么办呢？

很简单。现在有车了。要想知道汽车的构成，只要拆开看一看就可以了。但是亚原子粒子很小，我们做不了这么精细的工作，所以有一种简单粗暴的方法，就是把它粉碎成碎片。就像砸核桃一样，要想看里面的东西，就得把它敲开。

但是放射性原子释放粒子的速度还不足以打散原子核，更别说击碎组成原子核的粒子了，所以人们想知道有没有什么办法可以让带电粒子加速呢？所以粒子加速器来了。

如何加速带电粒子？这个很简单，因为是带电的，所以我们只要给他提供一个电场就行了，那么电场是怎么来的呢？也很简单，现在你把两块平行的金属板接到一个正负极上，也就是给他加一个电压，那么金属板之间就会产生一个均匀的电场。

现在我们把一个带电粒子放在电场中，带电粒子会被电场力加速，电场力的大小等于带电粒子的电荷量乘以电场强度，即电场强度可以除以电压得到两块金属板之间的距离，因此我们可以很容易地计算出带电粒子在电场中的加速度。

我们知道力除了大小还有方向，因为我们规定了电场的方向，或者说电场线的方向是从正电荷到外面再到负电荷，所以带正电的粒子在力的方向电场与电场的方向相同，负电荷的方向一定与电场的方向相反。

既然我们知道了如何加速带电粒子，下一个问题就是如何去做？你看，如果想让粒子在加速器中获得最大能量，就需要让它多次通过电场来加速。这样一来，获得加速的时间会更长，所以它的速度也会更快。

如果我们现在把粒子加速器设计成一条直线，可以肯定粒子被加速的机会是非常有限的。这样的设计肯定是不合理的。

有这种可能吗？我们把粒子的运动轨迹限制在一个圆形轨道上，这样它就可以多次通过圆形轨道上的电场，获得更多的加速机会。

实际情况真的是这样的。这种设计叫做回旋加速器，欧洲核子研究中心的大型强子对撞机目前就是这种圆形跑道。

但问题是，如果我们想要弯曲粒子的轨迹，我们需要施加一个垂直于运动方向的力，而随着粒子的加速，这个力需要不断调整以适应速度的粒子。为了保证粒子的速度虽然在增加，但始终在一个固定的圆上运动，以免撞到加速器的管道壁上。

是否有一种力量可以满足我们的要求？是的，就是磁场力。静止的带电粒子在磁场中不受力，但只要带电粒子运动，其运动方向垂直于磁场方向，就会受到垂直于运动方向的最大磁场力。

在给定的磁场中，磁场力的大小与带电粒子的电荷量和速度成正比，所以只要在加速器环上施加磁场，就能使带电粒子弯曲，让它做圆周运动。

问题是这个磁场需要及时变化，所以固定的磁场是不行的，必须用电磁铁来提供磁约束。

电磁铁产生的磁场强度与电流成正比，因此我们可以通过调节电流的大小来控制磁场强度来适应粒子速度的变化，从而保证粒子不会撞到加速器管壁。所以为了有足够大的磁场，我们在加速器中使用超导磁体。

好了，现在我们把电场加速和磁约束结合起来，这就是粒子加速器的基本原理，加速粒子。

我们继续说人类的极限速度

美国费米实验室的质子和反质子加速器有一个圆形轨道，周长6.26公里。它使真空管中的粒子沿一个方向加速，反粒子在真空管中沿相反方向加速。

然后让两者在探测器中碰撞，看看会产生什么新的亚原子粒子？当然，通过费米实验室的加速器，我们发现了顶夸克，精确测量了W玻色子的质量，发现了tau中微子，同时创造了光速99.999956%的速度极限。

目前，欧洲核子研究中心的大型强子对撞机保持着最高粒子能量的记录，其加速质子速度最高达到每秒299,700,924,500米，99.9999991％C，仅比速度慢3米/秒光。

但是这个速度不是我们能创造的最快的粒子！

LEP大型电子正电子对撞机，虽然它的能量只有LHC的1/33，但质子的质量却是电子的2000倍左右！所以在LEP中，电子的速度最高达到每秒29970924507.9964米，99.99999988%C，比光速慢了3.6毫米/秒！因此，构成我们世界的所有质子和电子仍然受制于狭义相对论。