有人说它们能制造黑洞，还可以像时间机器一样，把我们带到宇宙的起点。还有人说它们能够重现宇宙大爆炸。它们就是建在地下隧道里的巨型机器：粒子加速器。物理学家为什么要建造这样的机器，它们的工作原理是什么？
顾名思义：粒子加速器可以让小粒子加速。一旦粒子达到一定速度，它们就会相互撞击（粒子对撞机）或撞击静止的东西（固定靶加速器）。为什么要做这件事？原因主要有二。首要原因显而易见——把东西撞碎，你就可以看到里面的东西。如果你想测试这个原理，你可以自己造一个小猪储钱罐加速器，看看那里面有什么。
物理学家对微小的粒子更感兴趣，比如质子。他们之所以这么做，是因为他们对质子的组成部分了解不多。用于此目的的粒子加速器可以提供大量的能量来打破质子。反正你是没法子用锤子把它敲碎的。
将能量转化为物质
除了想了解物体内部的情况，人们建造粒子加速器还有一个原因。一旦粒子加速到很高的速度，它们就具有了很多能量。而在碰撞的过程中，这些能量会被释放出来。想象一发炮弹撞在墙上的情形：它的速度越快，能量就越高，就越能有效地对墙壁进行——我们可以说成“修改”。若两个粒子被加速到非常高的速度，相应获得了非常高的能量——你让它们碰撞，如果它们只是互相撞击，那么粒子也无法用这些能量做什么。它们若不是基本粒子，相撞后就会破裂；它们若是基本粒子，相撞就无法让它们破裂，不过它们会做一些别的事，一些我们在宏观世界中无法观察到的事。它们会像爱因斯坦著名的方程E=mc2描述的一样，将自己的能量转化为新的物质，甚至转化为反物质！两者产生的量总是相等的，大多是成对产生的物质和反物质。你可以创造一些众所周知的、能从自然界中获得的东西。同时，你也可以创造一些很花哨的东西，比如奇夸克（它们的真名就叫这个）和反奇夸克。这些粒子越重，你创造它们需要的能量就越多。标准模型包括了所有已知的物质组成部分（但我们清楚，存在于世上的物质组成部分应该更多），大爆炸之后，它们便存在了。它们不断产生和衰变。但随着宇宙逐渐形成和冷却，到了某个时间段，宇宙中突然没有足够的能量来再次产生其中的一些粒子了。这就是今天我们在自然界中看不到它们的原因。但我们建造了粒子加速器，它有足够的能量让我们看到宇宙诞生后的情况：哪些粒子的确存在，它们又是如何相互作用的？
粒子束的能量
你可能会问，为什么人们要加速基本粒子，而不是网球之类的东西。有不少有才华之人在如何让网球加速方面有着丰富的经验。那人们为什么非要和小粒子较劲呢？想想你徒手击打朋友的脖子，他一定会很疼；现在你再想想（请一定只是想想！）用同样的能量再击打他的脖子，只不过这次你用的是一根小针。他肯定很疼。疼得多得多。为什么呢？你用的是同样的能量，但这次你把它集中到一个很小的点上，针尖的“能量密度”要高得多。我们知道世界上最小的事物便是小粒子，因此若我们想得到最高的能量密度，就要让它们加速。
让我们来感受一下一个粒子从一座现代的粒子加速器中穿过的能量吧。如今最大的粒子加速器是“大型强子对撞机”LHC，它位于瑞士日内瓦附近的研究机构CERN，它可以将质子加速到光速的99.9999991%。这是非常快的，如果你想到爱因斯坦的狭义相对论不允许任何东西比光速快，就更会觉得如此。你能想起任何具有相同能量的东西吗？想不起来？一只蚊子如何？如果它的飞行速度约为2厘米/秒（没有多快），它的能量就已经可以与之相提并论了。这听起来简直是一派胡言。但你应该清楚，蚊子的能量要平摊到大约1021个质子上。重申一遍，能量密度是关键。
如何加速
现在是时候了解这种加速器的工作原理了。我奶奶知道很多事情。碰巧她家里也有一台粒子加速器。那不是什么花哨的东西，只是一台老式电视机的屏幕。那时候的电视还不是平面的。它的工作原理是这样的。电视后面有一条小小的电线，它被电流加热。热量使得电线上运动的电子得到了足够的能量，从电线中释放出来，自由地运动。你要做的就是使它们移动到正确的方向（朝屏幕移动，使彩色的点发光，产生好看的图像）。你无法拖动一个电子。不过，因为它是一个带电粒子，你可以用电场使它加速。它将向电势更低的地方移动。电势差被称为电压，电压越高，电子移动到最后的速度就越快。这就是物理学家用“电子伏特”（eV）给加速粒子的能量做单位的原因。一个被1伏特电压加速的粒子，其能量为1eV。这套适用于电子的规律也适用于质子（它只是朝相反的方向运动）或任何其他带电粒子。因此，如果你想加速一个中性原子，你首先要夺去它的一个电子，使它带电。超高的能量需要超高的电压。由于技术原因，电压有一个你无法超过的极限（大约3000万伏特）。这是所有加速极限的终点吗？不！不是的。聪明点就可以。你可以分若干次以较小的能量为一个粒子加速，而不用一次性以特别大的能量为其加速：
我们此刻看到一颗质子和一根带负电荷的管道。质子被加速。接下来的管道带有与前者相反的电荷，如果质子从第一根管道出来，就会被第二根管道排斥。太糟糕了，无法获得加速。因此，当质子在第一根管道中时，我们需要转换电压。随着质子的运动，这个过程也将继续下去。因此你不需要施加更高的电压，只需要更多的管道。这样做的问题是，你的加速器会变得越来越大。这种“直线加速器”甚至可以长达几公里，例如位于加州门洛帕克的斯坦福直线加速器。
绕圈运动
如果你没有足够的空间或资金来建造一个更强大的加速器，你可以想一些替代方案。让被加速的粒子回到它第一次得到加速时的管道入口呢？这样一来，你就不需要很多电子管了，只需要让粒子多做绕圈运动就可以了。用电场让一个粒子运动起来后，它就会走直线，不会自己拐回来。要想让它转弯，你可以利用磁场。你需要很多强大的磁铁来建造这样一个圆形对撞机。世界上最大的粒子加速器LHC需要1232块磁铁才能让质子在周长为27公里的圆上转过弯来。而且这些磁铁的威力很大。他们的磁场是由12000安培电流通过的线圈打造而成。若是在家中，超过16安培的电流通过你的电缆，你的开关就会爆炸。更高的电流会让你的电缆变热，甚至熔化。LHC中的电缆不会熔化，因为它们被冷却到了-271摄氏度（这个温度真的很冷！）。在如此温度下，其电缆所使用的特殊材料会变得具有“超导性”，电缆便不会再发热了。
大型强子对撞机建在地下100米左右的隧道里。这并不是因为机器很危险或者需要隐藏起来，而是挖一条隧道比购买地面上的土地要便宜。对了，有件事我们不该忘记：除了磁铁、电场和隧道之外，我们还需要一样东西。想象一下，你正以99.9999991%的光速行驶在高速公路上。如果有运动速度慢的东西出现在你的面前，你就会有很大的麻烦。对于加速器中的粒子也是如此。所以你一定要记得要让你的束流管中保持良好的真空状态。
两道质子流通过LHC的加速环，它们共由2802束质子团组成，每束各有1011个质子。在27公里长的加速器内有4个相互作用点，两道质子流在这里相遇，质子团进行碰撞。每秒钟都会发生4000万次质子团碰撞，这些质子团的能量将以物质和反物质对的形式释放出来。巨型粒子探测器会对这些碰撞事件拍照，便于科学家进行数据分析。我们不知道LHC可能会发现哪些新的粒子。也许它会发现超对称粒子？
