前段時間，中國的大型強子對撞機被宣告暫時不建造，因為建造它需要耗費非常高昂的資金與人力資源，所以中國的對撞機建造暫時暫停。儘管如此，大型強子對撞機仍然是各個國家都想要擁有的科研裝置，對於前沿科技發展來說，這個裝置至關重要。

大型強子對撞機可以模擬出宇宙大爆炸的一些初始條件，有很多科學愛好者就存在一個問題，為什麼人類不能夠給大型強子對撞機中的粒子注入更高的能量呢？這個問題值得深入研究！

在歐洲的地下深處，世界上最強大的粒子加速器在一個圓形隧道中，周長約27公里。 通過疏散內部所有空氣，以接近光速運動的質子在相反的方向上迴圈，被推到人為創造的最高能量。在幾個顯式點上，兩束內部光束儘可能地聚焦，並被製造成交叉，在這些光束中，每一束通過的質子碰撞發生少量質子碰撞。然而，每個粒子的能量達到了原始能量的7倍（約佔我們從最高能量的宇宙射線粒子中觀察到的能量不到0.00001%）。為什麼大型強子對撞機不能產生宇宙射線粒子的高能量呢?有什麼限制嗎?為什麼如此巨大、無比強大的機器不能將僅僅51焦耳的能量注入一個亞原子粒子?

其實人類在地球上做的事或發生的事與在太空中發生的事相比，根本沒有可比性。

(當兩個質子碰撞時，不僅是組成它們的夸克會發生碰撞，還有海洋中的夸克、膠子，以及除此之外的場相互作用。所有這些都能提供對單個組分自旋的洞察，如果達到足夠高的能量和光度，我們就能創造出潛在的新粒子)

像大型強子對撞機(LHC)這樣複雜的機器，其工作原理卻出奇的簡單。一般來說，質子和帶電粒子可以被電場和磁場加速。如果你在質子運動的方向施加一個電場，這個電場會對質子施加一個正的力，使它加速並獲得能量。

如果有可能建造一個無限長的粒子加速器，而且你不需要擔心任何其他的力或運動，這將立即給我們提供一個理想的方法來創造我們能夠想象的任何高能量粒子。把電場作用在質子上，使質子受到電場的作用，質子就會加速。只要這個場存在，你可以注入質子的能量就沒有限制。

(一個假想的新加速器，不管是長直線加速器還是住在地下的大隧道里的加速器，都可能使先前和現在的對撞機所能達到的對新粒子的敏感性相形見絀。即便如此，也不能保證我們能找到任何新東西，但如果我們不去嘗試，肯定什麼也找不到。在美國大陸上建造的一個完美的直線對撞機可能有近4500公里長，但它需要下沉或上升數百公里才能適應地球的曲率)

大型強子對撞機使用的加速腔非常有效，粒子每通過一米，就能加速500萬伏特。然而，如果你想把“僅僅”51焦耳注入一個質子，那就需要一個驚人的600億公里長的加速器腔:大約是地球到太陽距離的400倍。

雖然這將使每個粒子的能量約為320億億億電子伏特(eV)，或約為LHC實際能量的4500萬倍，但要建立一個跨越如此遙遠距離的均勻電場是非常不現實的。即使建造一個跨越美國最長連續距離(接近4500公里)的線性粒子加速器，每個粒子也只能得到大約22 TeV的能量:勉強好於大型強子對撞機。(由於地球的曲率，它將不得不上升/下沉到地球上方/下方數百公里處)

這就解釋了為什麼高能粒子加速器，也就是那些加速質子的粒子加速器，在結構上幾乎不是線性的，而是彎曲成圓形的。

(未來提出的環形對撞機(FCC)的規模，與目前在CERN的大型強子對撞機和以前在費米實驗室執行的裝置相比。未來的環形對撞機可能是迄今為止對下一代對撞機最雄心勃勃的提議，包括作為其科學計劃的不同階段的輕子和質子選項。更大的尺寸和更強的磁場是唯一合理的方法來“放大”能源)

當你需要電場把粒子帶到更高的能量，讓它們以接近光速百分之一的速度運動時，磁場也可以通過將帶電粒子彎曲成圓形或螺旋狀的路徑來加速它們。實際上，這就是LHC和其他類似加速器如此高效的原因:只要幾個加速腔，你就可以通過重複使用它們來加速相同的質子，從而獲得巨大的能量。

設定看起來很簡單。首先以某種方式加速質子，然後將它們注入大型強子對撞機的主環，在那裡它們會遇到:

1.直線部分，電場將質子加速到更高的能量。

2.彎曲的部分，磁場使它們彎曲，直到它們到達下一個直的部分。

重複這一過程，直到你達到你想要的最高能量。

(在LHC內部，質子以299,792,455米/秒的速度相互通過，僅比光速慢3米/秒。像大型強子對撞機這樣的粒子加速器由多個加速腔組成，在這些加速腔中，電場用來加速粒子內部的運動;在環形彎曲部分，磁場用來引導快速運動的粒子指向下一個加速腔或碰撞點)

為什麼不能用這個方法得到任意的高能量呢？實際上有兩個原因：一個在實踐中阻止我們，另一個在原則上阻止我們。

實際上，粒子的能量越高，為了使其彎曲，磁場就需要越強。這和開車的原理是一樣的:如果你要急轉彎，你最好減速。如果你開得太快，輪胎和路面之間的力會太大，你的車會滑出路面，導致災難。你要麼需要減速，修建一條有更大彎道的道路，要麼(以某種方式)增加汽車輪胎與道路之間的摩擦力。

這意味著你的粒子的能量本質上是有限的，在實踐中，由你已經建立的加速器的大小(特別是，由它的曲率半徑)和磁鐵的強度彎曲粒子內部。如果你想增加粒子的能量，你可以建造一個更大的加速器，或者增加磁鐵的強度，但這兩種方法都面臨著巨大的實際(和財務)挑戰;在能源前沿的一個新的粒子加速器現在是每一代一次的投資。

然而，即使你可以隨心所欲地這麼做，原則上你還是會受到另一種現象的限制:同步輻射。當你對一個移動的帶電粒子施加磁場時，它會發出一種特殊的輻射，被稱為迴旋加速器(針對低能粒子)或同步加速器(針對高能粒子)輻射。雖然這有它自己的實際用途，比如在阿貢實驗室先進的光子源的應用中，它從根本上進一步限制了被磁場彎曲的粒子的速度。

(相對論性電子和正電子可以被加速到非常高的速度，但會以足夠高的能量發射同步輻射(藍色)，阻止它們加速。這種同步輻射是盧瑟福多年前預測的輻射的相對論類比，如果你用引力類比電磁場和電荷)

同步加速器輻射的侷限性就是為什麼為了達到最高能量，我們加速的是質子而不是電子。你可能認為電子更容易達到更高的能量;畢竟，它們的電荷強度與質子相當，但品質只有質子的1/1836，這意味著相同的電場力可以使它們加速近2000倍。對於給定的電場，粒子所經歷的加速度取決於所討論的粒子的電荷品質比。

但是這種效應產生的能量輻射率取決於電荷品質比的四次方，這就限制了你可以很快得到的能量。如果大型強子對撞機使用電子而不是質子，它將只能達到每個粒子大約0.1 TeV的能量，這與大型強子對撞機的前身——大型正負電子對撞機(LEP)——實際上遇到的極限一致。

(歐洲核子研究中心的鳥瞰圖，上面是大型強子對撞機的周長(總共27公里)。之前，這條隧道也曾用來放置正負電子對撞機LEP。LEP粒子的執行速度遠遠快於LHC粒子，但LHC質子攜帶的能量遠遠超過LEP電子或正電子)

為了超越同步輻射的極限，你必須建造一個更大的粒子加速器;製造一個更強的磁鐵不會給你帶來任何好處。儘管許多人正試圖建立一個下一代粒子對撞機,利用強大的電磁鐵和大環半徑,的最大能量的人做夢還只有大約100電子伏特/碰撞:仍然超過一百萬倍低於宇宙本身可以產生。

同樣的物理原理從根本上限制了粒子在地球上獲得的能量，這種物理原理仍然存在於太空中，但宇宙為我們提供了地球實驗室永遠無法達到的條件。地球上產生的最強磁場，比如國家高磁場實驗室，可以達到100噸:比地球磁場強100多萬倍。相比之下，最強的中子星，即磁星，可以產生高達1000億T的磁場!

(中子星是宇宙中密度最大的物質集合之一，其強大的磁場通過加速物質產生脈衝。我們所發現的自轉最快的中子星是一顆每秒旋轉766次的脈衝星。然而，現在我們有了一個來自更好的脈衝星的地圖，我們知道這個兩極模型不可能是正確的;脈衝星的磁場更加複雜)

在太空中發現的自然實驗室不僅加速質子和電子，而且也加速原子核。我們所測量到的能量最高的宇宙射線不僅僅是質子，而是像鐵這樣的重原子核，其品質是質子的50多倍。所有宇宙射線中能量最高的一束，通俗地說就是“上帝粒子”，很可能是一個在極端天體物理環境中加速的重鐵原子核:在中子星甚至黑洞周圍。

電場可以產生地球上根本無法與加速的力量領域發現在這些天體物理環境中,品質和能量比我們整個太陽能系統包含壓縮成一個體積大小的一個大島嶼像毛伊島。如果沒有同樣的能量、環境和可供我們使用的宇宙尺度，地球物理學家根本無法競爭。

(最高能量的爆發來自於具有極強磁場的中子星，磁星，可能是迄今為止觀測到的一些最高能量的宇宙射線粒子的來源。像這樣的中子星的品質可能是太陽的兩倍，但壓縮後的體積相當於毛伊島的體積)

如果我們能把粒子加速器的尺寸放大，就好像成本和建造不成問題一樣，我們總有一天會希望達到宇宙提供的水平。與我們今天在大型強子對撞機中所擁有的磁體相比，一個環繞地球赤道的粒子加速器所能達到的能量是大型強子對撞機的1500倍。如果將其擴充套件到月球軌道的大小，其能量將是大型強子對撞機的近10萬倍。

再進一步，一個地球軌道大小的圓形加速器將最終產生質子，其能量達到“上帝粒子”的能量:51焦耳。如果你把你的粒子加速器一直放大到太陽系的大小，理論上你可以探測弦理論、膨脹，並從字面上重建大爆炸級別的能量，可能導致宇宙的終結。

(如果我們真的想用我們建造的粒子加速器來獲得可以想象得到的最高能量，我們就必須開始在比整個地球還要大的尺度上建造它們;也許我們不應該把太陽系的天平排除在外)

就目前而言，或許不幸的是，這些仍將是物理愛好者和瘋狂科學家的夢想。實際上，地球上的粒子加速器受到大小、磁場強度和同步輻射的限制，根本無法與我們的自然宇宙提供的天體物理實驗室相匹敵。