自從有人說光速是宇宙的終極速度以來，人們一直再用最強大的工具試圖接近或超越這個極限。

我們知道真空中的光速為299,792,458米每秒。也就是我們所說的c。目前我們測量的光速非常準確，其速度為299,792,458.00000000……(等)米每秒。

我們花了幾代人的時間，試圖在嚴格控制的實驗室環境下，透過粒子加速器將構成物質的粒子加速到接近光速的速度。

其實粒子加速器的目的並不是為了驗證宇宙的速度極限，也不是為了打破速度極限，而是為了尋找新的粒子，但這個實驗的過程也是我們人類創造極限速度的場所。那我們是怎樣透過加速器加速粒子的？

粒子加速器是怎樣加速粒子的？

如果你把一個帶電粒子放在電場中，帶電粒子會受到力的作用並加速。帶正電荷的粒子加速的方向與電場相同，帶負電荷的粒子受到的力與正電荷相同，但方向相反。 帶電粒子一旦運動，也會對磁場做出反應。

如果磁場方向與帶電粒子的運動方向垂直，磁場就會使帶點粒子的軌道彎曲成圓形，帶正負電的粒子就會彎曲成相反的方向（順時針或逆時針）。

如果把這兩個性質在一個正確的結構中結合起來，我們就可以使帶電粒子在圓周運動中不斷的加速！

這是一種設計原始的迴旋加速器，是現代大型環形粒子加速器的前身。

在這個早期的設計中，磁場使帶電粒子彎曲成一個圓形的軌道，帶電粒子每次穿過迴旋加速器的中心時，會產生一個交變電場來給粒子提供加速力。

隨著粒子運動的速度越來越快，粒子形成的圓形軌道也會變得越來越大，因為恆定的磁場不可能把速度越來越高的粒子控制在一個固定的環形軌道中。當一個粒子獲得更多動量時，改變粒子的運動方向就更難了！

然而，在現代粒子加速器的設計中，科學家並沒有使用永磁體產生的固定磁場和不斷增加的螺旋軌道。相反，科學家將粒子加速器的巨大圓環與電磁鐵連線起來，這樣隨著粒子動能的變化就能產生適量的磁場，使快速運動的粒子一直保持在圓環內。無論粒子以99%，99.99%，99.9999%的速度移動，還是以光速的任何百分比移動，知道磁場到位，就沒有任何問題。現代加速器的工作原理就是把粒子注入加速環，並將電磁鐵產生磁場的強度調到與速度相適應的水平。粒子在環形軌道的加速腔中獲得加速，使速度緩慢的提升。為了讓粒子一直保持在固定的軌道中，加速器的磁場也會跟著粒子的動量發生變化，如果出一點差錯，粒子就會撞向環形軌道！

所以每當粒子經過加速腔以後，電磁鐵的磁場強度就會相應的增加，無論粒子是以299,492,093 m/s的速度運動還是299,492,108 m/s的速度運動，磁場強度都決定了粒子是留在環形跑道中，還是與加速器相撞。

帶電粒子的速度極限

美國的費米實驗室Tevatron加速器（上圖）已經是高能物理的元老裝置了，它在一個方向上加速粒子，在相反的方向上加速反粒子（質量相同但電荷相反）。

當高能粒子和反粒子碰撞時，科學家重點關注的是在這種高能情況下會發生什麼？以找到新的粒子，最難的部分就是需要仔細校準電磁鐵和加速腔，使它們在正確的頻率下工作，這一點至關重要！費米實驗室創造的速度已經達到了光速的99.999956%。

歐洲核子研究中心(CERN)的大型強子對撞機保持著粒子能量的最高記錄，其質子的速度最高達到299,792,455米/秒，即99.9999991%的光速，比光速只慢了3米/秒。

這個速度已經充分證明了質子的運動速度不會超過光速，實際上，透過我們對加速器的電磁調整，我們就能知道質子是否能超過光速，這個速度已經是質子的極限了。

但這個速度並不是我們創造的最快粒子！

雖然LEP大型電子-正電子對撞機（強子對撞機的前身）最多隻能獲得104.5 GeV的能量，或者僅僅是大型強子對撞機能量的的1/33，但一個質子的質量幾乎是一個電子的2000倍！要使電子達到與質子同樣的速度只需要加速質子能量的1 / 1836（或0.054%），那麼這對電子的速度意味著什麼?

這意味著LEP的電子和正電子達到了每秒299,792,457.9964米的最高速度，或驚人的99.99999988%的光速，僅僅比真空中的光慢3.6毫米/秒！

速度確實很快，直逼光速，但是它們還是比光速慢！因此，構成我們世界的所有質子和電子，依然受到狹義相對論定律的約束。

“粒子加速器的工作原理是怎樣的？帶電粒子的速度極限是多少？”，顧名思義，粒子加速器就是加速粒子的機器。粒子加速器看似非常複雜，其實它主要依靠兩種“場能”來工作，包括電場與磁場，其中電場主要為帶電粒子提供加速能量，而磁場主要是對帶電粒子束進行導引、約束與聚焦。粒子加速器中的帶電粒子主要包含電子、正電子、質子、反質子和重離子等，這些粒子都具有靜止質量，由相對論可知，這些帶電粒子的運動速度是無法達到光速的，只能說隨著輸入能量的提升，這些帶電粒子的速度是可以逐漸逼近光速的。

從粒子加速器到對撞機

粒子加速器最早是科學家為了探索原子內部結構而發展起來的，其實粒子加速器離我們的生活非常近，在醫療衛生、工農業生產、國防軍事、基礎科學研究等領域都有重要應用，比如早期電視機中的陰極射線管以及現代機場車站的安檢儀等都用到了粒子加速器相關原理。

粒子加速器中的帶電粒子之所以可以加速，是依靠電荷的“同性相斥、異性相吸”原理，早期的粒子加速器僅能使帶電粒子在高壓電場中加速一次，可以看做是簡易的直線型加速器，如果要活動較高的加速效果，就需要提供電場能量或者進行多級加速，但由於當時電場調頻技術的不足，如果進行多級加速器串聯則會極大的增加成本，而且整個加速器的體積也會非常龐大。

1930年美國科學家歐內斯特·勞倫斯提出了迴旋加速器概念，其基本原理就是利用帶電粒子垂直進入勻強磁場中後的圓周運動使帶電粒子多次經過電場進行加速。1932年勞倫斯設計建造了第一臺高能迴旋加速器，該加速器由兩個半圓形的金屬扁盒（D形盒）構成，兩個D形盒的空隙處是交變的加速電場，交變電場的變化頻率與帶電粒子在磁場中做圓周運動的頻率相同，在兩個D形盒之內是垂直的勻強磁場，用以偏轉帶電粒子的運動軌跡。當帶電粒子束從中心發射後，經過電場加速會進入到D形盒內，由於磁場的偏轉作用，帶電粒子走過一個弧形軌跡後又會進入電場進行加速，這樣算下來，帶電粒子每轉一圈就會被加速兩次，經過多圈加速後帶電粒子束就可以從D形盒邊緣引出。

迴旋加速器雖然非常巧妙，但是隨著帶電粒子速度的增加，其相對論質量也會明顯增大，這就造成帶電粒子在迴旋加速器中的運動半徑不斷變大，而且運動週期無法和交變電場相同步。為了解決這個問題，迴旋加速器又逐漸演變為扇形聚焦迴旋加速器和同步迴旋加速器，其中扇形聚焦迴旋加速器主要依靠逐漸增加磁場強度來抵消相對論變數；同步迴旋加速器主要依靠改變電場頻率來匹配相對論效應的影響。這兩種迴旋加速器也各有優缺點，扇形聚焦迴旋加速器由於大量磁鐵的使用，其成本較高，而同步迴旋加速器由於採用調頻技術，其只能形成脈衝帶電粒子束。

現代物理學不斷向宏觀與微觀兩個方面深入，在微觀方面，為了探索物質結構、驗證物理理論往往會用到大型對撞機，其工作原理就是用粒子加速器加速粒子然後去碰撞另一個粒子，從而探究粒子內部的秘密。粒子對撞機之所以叫“對撞機”而不叫“碰撞機”，就在於高能粒子的“碰撞模式”，當我們用加速後的高能粒子去碰撞靜止的粒子時，靜止粒子會獲取動能，從而使實驗本身能效降低，但如果我用兩個高速粒子對撞就能避免這個問題。根據這個思路，科學家在高能同步加速器上發展出了對撞機，首先由於對撞需要，整個對撞機呈環形結構，因為被加速粒子的電性與質量原因，對撞機通常分為單環與雙環。在粒子對撞之前，由同步迴旋加速器或者直線加速器對帶電粒子進行初級加速，然後帶電粒子會進入對撞機進行進一步的加速，當到達設定能量後，帶電粒子會被引導至對撞區域進行對撞實驗，大量的探測儀器可以分析對撞過程。

加速器中帶電粒子的速度上限

在加速器中，帶電粒子經過電場的不斷加速會獲得極高的速度，但是這個速度並不會無止境的升高，由於加速器的工作原理，它只能加速帶有電荷的粒子，這些帶電粒子中不論是電子還是質子或者它們的反粒子都具有靜質量，狹義相對論告訴我們，任何具有靜質量的物質隨著速度的升高，其相對論質量也會逐漸增加，這被稱為質增效應，當粒子的質量增加後，要想獲得同樣的加速效果，就需要為加速器輸入更高的能量，但是更高的能量帶來的更高速度又會增加粒子的相對論質量，這種迴圈矛盾最終導致加速器中的粒子速度永遠止步於光速前，因為我們沒有無窮多的能量來為粒子進行加速。

歐洲核子研究中心的大型強子對撞機(LHC)可以把帶電粒子加速到光速的99.9999991%，高能粒子束一秒鐘可以在周長為26.659公里的隧道內繞行11245圈，此時粒子的相對論質量已經非常明顯，就算把速度再升高一丁點，也需要輸入極大的能量。

結語

在粒子加速器中，帶電粒子透過電荷“同性相斥，異性相吸”原理，依靠電場進行加速；為了改變帶電粒子的運動軌跡，我們還需要施加相應的磁場，從而使粒子束實現轉向、約束與聚焦等。由於相對論效應，加速器中的帶電粒子只能隨著輸入能量的升高而逐漸逼近光速。

粒子加速度的速度能達0.99999999c，八個九。除了質增效應，另一個速度難以增加的主要原因是″同步輻射″。帶電粒子作弧形彎道或圓周運動時，就會沿切線方向不停輻射出各頻段光子，把粒子能量離心地甩了出去，這就稱為″同步輻射″，嚴重阻礙了帶電粒子速度或能量的增加。

粒子加器是利用帶電粒子在磁場中運動時會受到羅倫茲力的原理而設計的園形加速器。

任何粒子包括帶電粒子都不可能超過光速。