[科普中國(guó)]-為什么研究小小的基本粒子，要用巨大的加速器

基本粒子是目前人們直接觀察到的最小的粒子。

基本粒子究竟有多么??？如果有一種放大鏡能把乒乓球放大到地球那樣大，按同樣的放大倍數(shù)來(lái)看基本粒子，也不過(guò)像一只乒乓球那樣大。把一萬(wàn)億個(gè)基本粒子排成一列橫隊(duì)，叫這列橫隊(duì)齊步穿過(guò)縫衣針的小孔，也還綽綽有余。為了研究這小小的基本粒子，物理學(xué)家卻動(dòng)用了直徑大到2千米的高能加速器，這是為什么呢？原來(lái)，在微觀世界中，物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律同我們平時(shí)生活中所見到的完全不同。在宏觀世界里，粒子運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，總有一條明確的軌跡；波動(dòng)則是以彌漫于空間的形式出現(xiàn)的。因此，粒子就是粒子，波就是波，誰(shuí)也不會(huì)把它們混淆起來(lái)。

20世紀(jì)初，當(dāng)物理學(xué)家的研究深入到分子、原子以及更深的層次時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)這些微小的粒子，有許多奇怪的行為，不能用以往的經(jīng)驗(yàn)來(lái)解釋。法國(guó)有一位歷史學(xué)家叫路易斯 徳布羅意，他受到研究實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的哥哥的影響，改行研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)。1924年，他向巴黎大學(xué)理學(xué)院遞交了一篇博士論文，在論文中他提出了一種新觀點(diǎn)，認(rèn)為任何一個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)都有一種波和它伴隨，并影響到粒子的運(yùn)動(dòng)。這種波的波長(zhǎng)，和粒子的動(dòng)量成反比。由于我們?nèi)庋鬯吹降奈矬w質(zhì)量太大，用德布羅意的公式來(lái)計(jì)算波長(zhǎng)就非常之短，觀察不到這種波的影晌。可是，對(duì)于原子和分子世界中的粒子來(lái)講，這種波的行為卻很強(qiáng)烈。徳布羅意認(rèn)為，只要承認(rèn)這個(gè)假定，就可以解釋如原子這類粒子的許多反常的行為。開始，大家對(duì)他的說(shuō)法將信將疑，不久實(shí)驗(yàn)證實(shí)了徳布羅意的觀點(diǎn)。這位新博士因此獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。

物理學(xué)家在探索微觀世界時(shí)，經(jīng)常采用的一種方法是把一束已知性質(zhì)的基本粒子作為炮彈，去轟擊所要研究的某種未知的基本粒子，通過(guò)觀察它們之間的相互作用，來(lái)研究靶粒子的性質(zhì)。在研究基本粒子的時(shí)候，為了看清它的結(jié)構(gòu)，作為炮彈的基本粒子的波長(zhǎng)，應(yīng)該越短越好，或者是它們的動(dòng)量越大越好；否則，由于波動(dòng)的強(qiáng)烈干擾，很難對(duì)靶粒子作出精確的測(cè)量?？墒牵Ｗ?xùn)c的能量越大，它們就越難馴服，就是要它們轉(zhuǎn)個(gè)彎也很不簡(jiǎn)單。解決的辦法，只能把加速器的“跑道”彎曲的程度盡量減小，這樣加速器的直徑也就越來(lái)越大了。

著名的意大利原子物理學(xué)家恩里科 費(fèi)米，曾風(fēng)趣地說(shuō)過(guò)：如果人們想要制造一臺(tái)能量達(dá)到宇宙射線那樣的加速器，這臺(tái)加速器的圓周就會(huì)大得足以套到地球的赤道上。但是，人們相信，將來(lái)利用某種新技術(shù)(如超導(dǎo)技術(shù))，可以使加速器的尺寸大為縮小。不過(guò)，從目前的情況來(lái)看，物理學(xué)中研究的對(duì)象越小，使用的儀器設(shè)備確實(shí)是越來(lái)越大了。