我們知道真空中的光速為每秒2億9千9百7十9萬2千4百5十8米，也就是我們常說的C，這是宇宙中所有無質(zhì)量粒子天生所具有的速度，除了光子以外，還有8個膠子，它們是傳遞強(qiáng)力的作用粒子，當(dāng)然還有引力子，它們生下來都在以光速運(yùn)動。

 

不過可惜的是，構(gòu)成世界萬物的粒子并不是上面的這些玻色子，而是有質(zhì)量的費(fèi)米子，只要有質(zhì)量，狹義相對論就限制它不能達(dá)到光速，更不能超過光速，原因也很簡單，因?yàn)槲锢韺W(xué)不允許破壞現(xiàn)實(shí)的因果性，所以我們必須堅持光速極限這個基本原理。

話雖這么說，但是我們還是想讓有質(zhì)量的費(fèi)米子打破光速極限！相信你曾經(jīng)有聽過中微子超光速的報道，中微子的自旋是1/2，半整數(shù)，所以它是費(fèi)米子，和電子一樣是輕子家族中的一員，是我們目前所知質(zhì)量最低的一個基本粒子，就連宇宙第二輕的電子比中微子都重了數(shù)十萬倍。

所以當(dāng)時中微子超光速的報道一出來，震驚科學(xué)界，因?yàn)槿藗冇X得中微子很小，它可能還真就超光速了，但后來發(fā)現(xiàn)這完全是一場熱鬧，是我們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)搞差了。

 

不過人類一直以來還是沒有放棄過超光速的想法，雖然我們在自然界找不到超光速粒子，但我們在實(shí)驗(yàn)室還有一個強(qiáng)大的工具，粒子加速器，顧名思義，就是提高粒子速度或者是能量的一種設(shè)備。

其實(shí)粒子加速器建造的目的并不是為了驗(yàn)證宇宙的速度極限，也不是為了打破速度極限，而是為了了解物質(zhì)結(jié)構(gòu)，尋找新粒子的大型設(shè)備，不過這個實(shí)驗(yàn)的過程也是我們?nèi)祟悇?chuàng)造極限速度的場所。那問題是我們是怎樣通過加速器加速粒子的?

粒子加速器是怎樣加速粒子的?

 

加速器也叫對撞機(jī)，最早的對撞機(jī)模型可以追溯到上世紀(jì)在曼徹斯特工作的盧瑟福，時間大約是1907年，這一年它用α粒子撞擊金箔，觀察了大量的α粒子被金原子散射以后的偏轉(zhuǎn)的角度，通過這個實(shí)驗(yàn)，他知道了原子的質(zhì)量絕大部分都集中在一個很小的核心里面，電子圍繞這個核心運(yùn)轉(zhuǎn)，這是人類對原子結(jié)構(gòu)最重要的一次探查。

 

那么作為探針的α粒子是怎么來的?當(dāng)時盧瑟福使用的α源是放射性鐳元素，鐳可以自然的釋放出α粒子，速度大約為2.5×10米/秒，約為光速的1/10，那么當(dāng)時盧瑟福就使用這種速度的α粒子，就了解了原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

但是隨著科學(xué)的發(fā)展，人們想要了解原子內(nèi)部的粒子結(jié)構(gòu)，甚至是想知道這些粒子它本身內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，那要怎么辦?

很簡單，現(xiàn)在有一輛汽車，你想要知道這個汽車內(nèi)部的組成成分，只需要把它拆開看一下就行了，但是亞原子粒子很小，這么細(xì)的活我們干不了，所以有一個簡單粗暴的辦法就是把它撞碎。跟砸核桃一樣，想看到里面的東西，就要把它敲開就可以了。

但是由放射性原子釋放出來的粒子，它的速度不行，撞不開原子核，更不可能把組成原子核的粒子撞碎，所以人們就想有沒有什么辦法能給帶電粒子提提速?所以粒子加速器就出現(xiàn)了。

那如何給帶電粒子提速呢?這很簡單，因?yàn)樗鼛щ姡晕覀冎恍枰o他提供一個電場就可以了，那電場又怎么來?也很簡單，現(xiàn)在你把兩個平行的金屬板接到一個正負(fù)極上，也就是給他施加一個電壓，那么在金屬板之間就會創(chuàng)造一個均勻的電場。

現(xiàn)在我們把一個帶電粒子放到電場中，帶電粒子就會受到電場力的作用產(chǎn)生一個加速度，那電場力的大小就等于帶電粒子的電荷乘以電場強(qiáng)度，電場強(qiáng)度可以有電壓除以兩個金屬板之間的距離得出，所以我們就可以很簡單的算出一個帶電粒子在電場中的加速情況。

我們知道力除了大小還有方向，因?yàn)槲覀円?guī)定電場的方向，或者說是電場線的方向是從正電荷向外然后到負(fù)電荷，所以帶正電粒子在電場中的受力方向就跟電場方向是一樣的，那帶負(fù)電的肯定就和電場方向相反了。

現(xiàn)在我們知道了如何給帶電粒子提速，那接下來的問題是具體要怎樣操作?你看，要想讓粒子在加速器中獲得最大的能量，就需要讓他多次經(jīng)過電場給他提速，這樣的話它獲得加速的時間就長一些，所以它的速度就會更快。

那如果我們現(xiàn)在把粒子加速器設(shè)計成一條直線的話，可以肯定的是粒子獲得加速的機(jī)會就會非常有限，這樣的設(shè)計肯定不合理。

那有沒有這樣一種可能，我們把粒子的軌跡限制在一個環(huán)形的跑道上，這樣它就能多次地經(jīng)過環(huán)形軌道上的電場，獲得更多加速的機(jī)會。

實(shí)際情況還真是這樣的，這樣設(shè)計叫回旋加速器，目前歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)就是這種環(huán)形跑道。

但問題是，我們要想把粒子的軌跡掰彎就需要給它施加一個和運(yùn)動方向垂直的力，而且隨著粒子的加速，這個力還需要不斷地調(diào)整以適應(yīng)粒子的速度，這樣才能保證雖然粒子的速度在增加，但它始終在一個固定的圓周上運(yùn)動，而不至于撞到加速器的管道壁上。

那有沒有一種力，來滿足我們的要求?有，就是磁場力，靜止的帶電粒子在磁場中不受力，但只要帶電粒子運(yùn)動起來，并且它的運(yùn)動方向和磁場方向垂直的話，就會受到和運(yùn)動方向垂直的、且最大的磁場力。

在給定磁場中，磁場力的大小就和帶電粒子的電荷、以及運(yùn)動速度成正比，所以只要給加速器圓環(huán)中施加一個磁場，就可以把帶電粒子掰彎，讓他做環(huán)形運(yùn)動。

問題是，這個磁場它需要適時變化，所以固定的磁場是不行的，必須使用電磁體來提供磁約束。

電磁體產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度跟電流是成正比的，所以我們可以調(diào)節(jié)電流大小，來控制磁場強(qiáng)度去適應(yīng)粒子速度的變化，保證粒子不會撞到加速器的管壁上。那么為了磁場強(qiáng)度足夠大，所以在加速器中我們使用的超導(dǎo)磁體。

我們把電場加速和磁約束結(jié)合在一起，這就是粒子加速器，加速粒子的基本原理了。

我們接著說，人類的速度極限

美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的質(zhì)子和反質(zhì)子加速器，它的環(huán)形軌道周長6.26公里，它是在一個方向上的真空管道中加速粒子，在相反的方向上的真空管道中加速反粒子。

然后讓它倆在探測器中碰撞，看會產(chǎn)生哪些新的亞原子粒子?當(dāng)然通過費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的加速器我們發(fā)現(xiàn)了頂夸克、精確測量了W玻色子的質(zhì)量，以及發(fā)現(xiàn)了陶中微子，同時創(chuàng)造的速度極限是，光速的99.999956%。

目前歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)保持著粒子最高能量的記錄，其加速質(zhì)子的速度最高達(dá)到了每秒2億9千9百7十9萬2千4百5十5米，99.9999991%C，比光速只慢了3米/秒。

但這個速度并不是我們創(chuàng)造得最快的粒子!

LEP大型正負(fù)電子對撞機(jī)，雖然它的能量只有LHC能量的1/33，但一個質(zhì)子的質(zhì)量大約是一個電子的2000倍!所以在LEP中，電子的速度達(dá)到了每秒2億9千9百7十9萬2千4百5十7.9964米的最高速度，99.99999988%C，比光速慢了3.6毫米/秒!因此，構(gòu)成我們世界的所有質(zhì)子和電子，依然受到狹義相對論的約束。