粒子對撞機，是一種將微觀粒子加速對撞的高能物理專業裝置。它可以幫助物理學家探索、發現和量化粒子。它最基本的作用是在高能加速器中積累並加速粒子流，達到一定強度及能量時使它們對撞，以產生實驗預期的足夠高的反應能量。

對撞機可以利用一種特殊電磁場將粒子加速到接近光速的極大速度，去轟擊其他粒子，打碎本來難以分割的微小粒子，以研究其結構性質和擊碎效應。粒子可達到的能量級400GeV，甚至更高。作為基礎學科的研究設施，對撞機在高能物理學領域應用廣泛。今天我們來聊聊粒子對撞機在探索宇宙物質起源的天文物理中的作用。

20世紀下半葉，物理學家已經知曉了宇宙膨脹的觀測結果和大爆炸理論，他們對宇宙起源時比原子更小的亞原子粒子懷有興趣。如果大爆炸成立，那必須證明存在一種途徑，使得一個點上發生的大爆炸能產生今天宇宙中所有的物質。

如果粒子對撞機能揭示物質的真實性質，就可以由此發現最基本的物質是怎樣產生於大爆炸之中的。反之，如果實驗顯示大爆炸中不可能產生最基本的物質，那麼大爆炸理論也就不能成立。

現代的粒子對撞機非常大。例如，設在瑞士的歐洲聯合核子物理中心CERN（又名歐洲粒子物理實驗室），它的大型強子對撞機（LHC，Large Hadron Collider ）是目前世界上最大、能量最高的粒子加速器。它位於地下的隧道加速環的長度達17英里（約27公里），是由34個國家的大學及實驗室合作興建的。粒子對撞機可以把數以百萬計的粒子加速至光速的99.999%，粒子流每秒鐘在周長27公里的加速環內狂飆11245圈。實驗發現的粒子碰撞的過程徑跡，是探索宇宙起源最前沿的粒子對撞奇觀。重要的實驗成果還有b介子、W+/-、Z。等粒子的發現。科學家設想，只要粒子發生碎裂或衰變，就會伴隨能量轉變和釋放，那麼對撞機能夠證明這一點嗎？

首先，粒子對撞實驗中，科學家精確地測量到了電子與原子碰撞中有多少能量釋放出來。表明能量和質量在一定方式下可以相互轉換，也測到了接近光速時的粒子所增加的質量。實驗得到的結果，再次驗證了愛因斯坦狹義相對論的準確性，即E=mc^2。質能可以相互轉換。

其次，在大功率對撞機上科學家已經能短暫地達到當初大爆炸1秒鐘之內的溫度，此刻的碰撞所發生的事實是：在極高溫下，碰撞後的粒子徑跡出現了極短暫的滯後時差，即碰撞後先產生純粹的能量，而後再在這些能量中才產生了粒子徑跡。這就是物質最初產生的由來。這個實驗得到的解釋，與其他所有已知的大爆炸存在的證據都是一致的，也與宇宙起始於一次大爆炸的數學模型一致。大爆炸理論又一次獲得實驗證據的支援。研究團隊反覆的粒子對撞實驗結果均顯示：在粒子對撞機中已經明白無誤地觀察並記錄到，粒子可以變為能量，而能量也可以變為粒子。相對於所有的物質，能量更是最基本的。而大爆炸中產生的足夠多的剩餘粒子總量形成了如今宇宙的全部物質。

這就是粒子對撞機給我們的答案。從這個意義上說，宇宙並非“無中生有”，它來自既不可觸控又無形的能量。

答：粒子對撞機是把微觀粒子加速到接近光速的裝置，也是高能物理研究中的重要工具。

試想，我們得到一個未知裝置，如果我們想了解這個裝置的工作原理，那麼最好的辦法，就是拆開這個裝置，能拆到多散就拆多散，就如小時候我們拆卸收音機一樣！

對於粒子物理學來說也是一樣的，我們要想了解物質的最基本規律，最好的辦法也是把微觀粒子分解，最好分解到不能分為止，然後再去研究基本粒子的規律。

但是微觀粒子可不好分解，目前科學家想到的辦法，就是把微觀粒子不斷加速，然後和另外一個高能粒子相撞，就有可能把粒子撞得更散，然後產生新的粒子。

比如把兩個氦原子核加速後進行碰撞，就有可能把氦原子核撞散，得到自由中子和自由質子。

在歐洲的大型強子對撞機（LHC），是目前投入使用的最大對撞機，周長接近27公里，可以把單個質子加速到光速的99.999999%，能量高達140000億電子伏特。

目前，歐洲大型強子對撞機已經取得了很多成果，包括2013年發現標準模型預言的“上帝粒子——希格斯玻色子”。

對撞機的原理：使用超導磁鐵產生環形強磁場，利用電場給帶電粒子加速，被加速後的帶電粒子在磁場中運動會受到洛倫茲力，洛倫茲力使帶電粒子做圓周運動，從而實現反覆加速去接近光速。

但是微觀粒子也受相對論效應限制，其速度只能不斷接近光速，而不能達到光速；而且隨著速度的增加，粒子相對論質量增加，質荷比變大，使得加速越來越困難。

加速器的原理，決定了只有帶電粒子可以在對撞機中進行加速，比如電子、正電子、質子和反質子，這四個是常用到的加速粒子。