不断达到更高能量的竞赛

不断达到更高能量的竞赛

战争结束后有段时间内，美国对是否支持科学研究有些犹豫不决。当时，已经提出了建立国家科学基金会的建议，但尚未正式成立。此时，海军通过其研究局，在与其传统活动没有什么关系的领域中，正进行着一项杰出的研究工作。新成立的原子能委员会（AEC）接管了战争时代的曼哈顿特区后，正在探寻它的发展方向。劳伦斯十分清楚自己准备干什么，而且由于他在战争时期的表现和私人的信任，他与L.R.格罗夫斯将军关系处得很好。他首先从将军那里，后来又从原子能委员会那里得到了及早的、持续不断的支持，而且，他通过原子能委员会和加利福尼亚大学之间签订的合同，使他能在很大程度上保持自治。和战前年代的困难条件相反，他现在得到了慷慨的支持，因而劳伦斯这时可在相当优裕的条件下，重新开始他所喜爱的工作。战前，劳伦斯曾打算建造一台100兆电子伏特的回旋加速器。这在当时看来是非常巨大的能量。他希望通过蛮干的方法来克服相对论的困难。

该加速器的磁铁当时已经造好了，战时曾用该磁铁来研究过卡留特隆。我不知道，该机器是否能象原来设想的那样顺利运转，好在并不需要对它作试验：战时，麦克米伦在洛斯阿拉莫斯发明了一种可以绕过相对论困难的方法，这种方法利用了稳相原理。有趣的是，稍早一些时候，苏联的V.I.维克斯列尔（V.I.Veksler）已经发明了相同的方法，而麦克米伦对此却毫无所知。这两位头脑冷静可敬的人，很快就明白这是怎么回事了。由于彼此信任，他们没有就谁优先的问题进行争论，而是成了好朋友，这种友谊一直保持到维克斯列尔逝世为止。

几年后，需要有另一个发明来克服建立更高能量加速器时固有的困难，就是所谓强聚焦方法。这里也有段有趣的故事。1949年，在科学界毫无名气的美籍希腊人N.克里斯托菲洛（N.Christofilos）工程师寄给劳伦斯一份介绍“强聚焦”的专利申请书。加速器中的粒子束，在机器中旋转多次时，必须始终聚集在一起，这样才能将其反复加速许多次，它是实现高能的一个必要的特点。强聚焦可使轨道保持在相当细的管道内，这是一项具有很大现实意义的重要成果。这份专利申请书劳伦斯可能没有读就把它交给了一个同事，而这位同事草草地看了一下，却未能弄懂它。

几年以后，E.D.库兰特（E.D.Courant），M.S.利文斯顿和H.斯奈德（H.Snyder）于1952年重新发明了相同的方法，而他们却并不知道克里斯托菲洛的工作。他们用精采的数学形式对这种方法加以解释，并据此设计了一个加速器。克里斯托菲洛知道后，他当然很不高兴。原子能委员会（AEC）此时处境很难堪，最后还是由政府机构出面解决了这个难题：承认事实，并把克里斯托菲洛雇佣到它所属的一个实验室工作。克里斯托菲洛在实验室里作出了许多发明，直到1972年突然逝世为止，享年55岁。

战后不久的年代里，加速器的尺寸发展很快。在伯克利，辐射实验室的科学家和工程师们，用前面提到的磁铁，建造了一台184英寸的同步回旋加速器（图11.9）和一个电子加速器，其中同步回旋加速器就采用了稳相原理。伯克利同步回旋加速器是首次产生人工介子的机器。高能质子同步稳相加速器（Bevatron）是在它之后建造的，达到了6.4千兆电子伏特，曾产生过质子-反质子对（图11.10）。世界其它地方也建造了类似的装置，例如，在厄巴纳的伊利诺斯大学，D.克斯特建造了一台大型电子加速器。在此加速器中，加速度是通过感应获得的，而不需要任何外部电场。克斯特在战前就曾以较小的规模发明和试验过这类加速器。这种加速器叫电子感应加速器。在芝加哥，费米和他的同事们建造了一台和伯克利的机器相类似的同步回旋加速器。东部大学联合起来在纽约州的长岛上建造了一个新的实验室，即国立布鲁克海文实验室，M.利文斯顿等人在此实验室建造了一个质子同步加速器，其能量达到3千兆电子伏特。苏联人在杜布纳秘密地建造了一个10千兆电子伏特的加速器，但直到1955年于日内瓦召开的和平利用原子能会议上才宣布有这个加速器。

随着这类事业的组织、财政来源和结构的变化，科学越来越依赖于中央政府，而不再依赖于地方和私人的支持了。因而中央政府对科学政策发挥了更大的直接影响，从而形成了国立实验室。最近这样的支持基础已扩展到许多国家了，并已形成了一些国际性实验室。甚至有人谈到建立世界性的加速器的问题，其能量可达1013电子伏特，由愿意参加的国家资助，约需十亿美元的投资。

在瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心（CERN）就是国际性实验室的典型。它是由许多欧洲国家提供资金的。这个实验室使欧洲在粒子物理学方面现在处于可和美国相媲美的地位。在战前和战争期间，由于欧洲政府的愚蠢和战争灾难的影响，欧洲曾失去过这种地位。

今天，最大的加速器有伊利诺斯州巴塔维亚的费米国立加速器实验室（FNAL），它保持着最高的能量纪录（500千兆电子伏特）；苏联的谢尔普霍夫（76千兆电子伏特）；布鲁克海文国立实验室（33千兆电子伏特）；CERN（300千兆电子伏特），在CERN有些存储环，它甚至可允许有比FNAL还要大的质心系能量，不过强度要弱一些。CERN于1977年还建成了一个500千兆电子伏特的加速器（图11.11）。(https://www.daowen.com)

到目前为止，我们主要介绍的是质子加速器。电子加速则大体上是和重粒子加速平行发展的。就象牛顿力学对飞向月球是最基本的理论一样，对发展电子加速来说，相对论力学是绝对必需用到的。如果仍然对相对论有怀疑的话，电子加速的发展就是对相对论的最直接的证明。电子在作高速圆周运动时会产生辐射，从解决能量损失角度看，直线加速器就比回旋加速器要好。对非常高的能量来说，我们又要重新用到直线加速器了，比如说，加利福尼亚州帕洛阿尔托（Palo Alto）的2英里长的斯坦福直线加速器（SLAC），它与存储环和碰撞粒子束相结合时，可达到8千兆电子伏特的质心系能量。

当粒子的能量大到可与入射粒子和靶子的静止能量相比时，高能竞赛就面临着一个严重问题。此时，起决定作用的能量不是入射粒子的实验室能量，而是入射粒子和靶的质心系能量。也只是后者才是可利用的，例如用来产生新粒子。对质子轰击质子来说，在极端相对论的情况下，质心系能量可用公式E=表示。对质子来说，Mc2为0.938千兆电子伏特。因此在实验室中，1000千兆电子伏特的质子撞击另一个静止质子时，它的质心系能量仅为43千兆电子伏特！机器的成本与实验室的能量成正比地增加，甚至增加得还要快些。因此很显然，通过增加实验室能量来获得高能，从经济上看是不合算的。

把两束22千兆电子伏特的质子相对撞时，在质心处得到的能量和用1000千兆电子伏特加速器得到的能量相同，但其强度要小得多。目前看来，对撞粒子束是解决极高的质心系能量的唯一办法。

1979年，电子正电子对撞的质心系能量纪录为30千兆电子伏特，是在汉堡附近的德国电子同步加速器（Desy）获得的。但是，宇宙射线保持着绝对的能量纪录——1020电子伏特，在可预见的将来，是不可能用实验室手段来达到这样高的能量的，问题在于宇宙射线是不可控制的，而且宇宙射线处于极高能量的机会极少，因此很难用它们来进行粒子研究。

对机器的需求，支配着粒子物理学的进展。下章将介绍粒子物理学这个研究领域的前沿情况。