自从加速器发明以来，为了让粒子获得更高的能量，趋势就是变得越来越大，以至于今天，欧洲大型强子对撞机创下了历史记录。 然而，未来的加速器可能不需要那么大。
众所周知，当今世界上最大、最复杂的机器是位于瑞士日内瓦的欧洲大型强子对撞机。 这个由欧洲发达国家联合制造的庞然大物，埋在一条周长27公里的地下隧道里。 从设计到竣工历时20多年，耗资近90亿美元。
这台机器是为了寻找一种叫做希格斯粒子的粒子而建造的。 理论家预测希格斯粒子质量非常大。 为了找到这个粒子，科学家们必须建造这么大的东西，将两束质子加速到光速的99.%（在这种情况下，质子的质量是静止质量的7000倍），然后让他们正面相撞。 如果希格斯粒子存在，它可能会在碰撞产生的碎片中被发现。
强子对撞机建成并投入运行已近三年时间，但尚未发现新粒子。 近日，有一个坏消息：即使希格斯粒子存在，也可能超出了大型强子对撞机所能达到的能量范围……这意味着，要产生希格斯粒子，目前这台强子对撞机还不够大！
事实上，不仅是大型强子对撞机这样的高能加速器，用于研究分子和原子的低能加速器也都相当大，可以轻松占据一栋大楼。
那么自由电子，加速器就不能做得更小吗？ 当计算机最初被创造出来时，它们非常大。 现在它们已经足够小型化，可以握在手中。 为什么加速器不能相同？
这个梦想在过去几乎是遥不可及的，但近年来，随着等离子体加速器的发展，人们感觉我们离实现这个梦想已经不远了。 将来，加速器可能会装入台球桌中。
为什么加速器越来越大？
要理解等离子体加速器为什么可以使加速器小型化，我们首先需要理解为什么传统加速器总是那么大。
取两块金属板，将它们以一定距离平行放置自由电子，通电以在两块金属板之间产生均匀的电场。 如果在两个可以相互对齐的极板上各挖一个小孔，从负极板上的孔中注入带正电的粒子，它在电场的作用下会移动得越来越快； 当它从正极板的小孔中飞出时，如果再飞入另一个平行板的电场中，它会再次被加速……带电粒子每次获得的能量取决于电压位于两个平行板之间。
这就是传统直线加速器的工作原理。 为了节省材料和空间英语作文，我们还可以添加一个磁场，使粒子做圆周运动，然后一次又一次地通过两块金属板之间的电场。 它们每经过一次，就会加速一次，所以这就变成了旋转。 加速器。
因此，为了让粒子获得更高的能量，直线加速器应该做得尽可能长，回旋加速器的直径应该做得尽可能大，似乎是不言而喻的。 确实，加速器的发展就是这一趋势的最好证明：几乎每10年，加速器的能量就增加近10倍，尺寸也变得越来越大。 最后，还有像欧洲大型强子对撞机这样的加速器。 巨无霸机器已经出来了。 欧洲大型强子对撞机是一个回旋加速器，其中质子要绕轨道运行1700万次，相当于行进4.5亿公里，从初始能量（1GeV=10亿电子伏）增加到之后，可以得出出来并使用。
但能量并不是决定加速器大小的唯一因素。 在直线加速器的例子中，我们看到带电粒子每次获得的能量取决于两个平行板之间的电压。 如果我们将电压提高10倍，粒子获得的能量也会相应增加10倍； 这个能量本来可能需要粒子通过10个相同的平行板电场才能实现，但现在只需要通过1个平行板电场即可； 所以理论上，只要增加加速电场的电压，输出的粒子能量就保持不变。 前提下，加速器可以做得更小。
但问题恰恰在于，实际中加速器的加速电压不能设计得很高。 以之前的平行板为例，如果两块板之间的电压太高，电场强度太高，那么金属板中的自由电子就会被电场拉出金属表面并被射出。向正极板移动，正极板的正电荷被中和，电场迅速下降（这称为击穿）。 因此，为了避免击穿的命运，我们必须在安全电压下耐心地一点点加速粒子。 这就导致了如今加速器的弊端变得越来越大。
“瘦身”加速器
在传统加速器中，自由电子是一群麻烦制造者，但在新型等离子体加速器中，它们已成为加速粒子的新力量。
等离子体是区别于固态、液态、气态的第四种物质形态。 与空气主要由分子、原子等中性粒子组成不同，等离子气体由带正电的离子和大量自由电子组成。 通常，正离子所带电荷是自由电子的数倍，但自由电子的数量却是正离子的数倍。 两者均匀，等离子体气体整体呈电中性。
现在想象一下将电子脉冲发射到等离子气体中。 在前进的过程中，脉冲电子与等离子体气体中的正离子和自由电子相互作用。 由于正离子的质量通常比电子大数千倍，因此正离子基本上“静止不动”，但那些自由电子却被脉冲电子排斥得很远。 这样，在脉冲电子此刻所在的区域，正电荷的浓度远大于负电荷的浓度。 这相当于脉冲电子“清理”了一个不带负电荷的“等离子体气泡”。 这个气泡总体上是带正电的。
这个“等离子体气泡”将随着脉冲电子的运动而向前移动。 在它的尾部，就像快艇尾部的水经过后迅速合拢一样，被“等离子体气泡”排出的自由电子等待气泡“驶过去”，而那些留在原地的会受到移动的正离子的吸引，它们很快聚集在一起。 这样，“等离子体泡”中就聚集了大量的正离子，而其尾部则聚集了大量的自由电子。 一个带正电，另一个带负电。 两者之间，存在着非常强的电场。 这个电场有多大？ 答案是令人惊讶的。 甚至可以达到每米1000亿伏的水平，这是传统加速器所无法达到的（如果传统加速器上的电场能够达到这个水平，那么为了达到加速质子的目的，我们只需要建造一个长度小于10米的直线加速器）。 如果此时正好射出一束待加速的带电粒子，在这个强大电场的作用下，瞬间就能获得高能量，这就是我们的最终目标。
在上述过程中，我们也可以使用强激光脉冲来代替电子脉冲，其原理基本相同。
这项技术最吸引人的地方在于，它可以在一般只有几微米大小的“等离子体气泡”中产生非常高的电场，而且无需像传统加速器那样担心电压一高就击穿。 这样，可以大大减小加速器的体积。
多年来，等离子体加速器发展迅速。 在 20 世纪 80 年代，科学家利用这项技术将一些电子加速到千分之一 GeV 的量级。 到了20世纪90年代，他们已经能够在1毫米的距离内将数百亿个电子加速到0.1GeV。
2007年，美国SLAC国家加速器实验室的科学家创下了将电子加速到85 GeV的记录。 然而，他们首先在3公里长的传统直线加速器上将电子加速到42 GeV，然后在只有几米长的等离子体加速器上加速，最终达到了这一记录。 但无论如何，在等离子体加速器中获得43GeV的能量都被认为是一个记录。
虽然对于粒子物理学家来说，等离子体加速器还远远不能满足他们的要求，但对于从事分子原子研究、只与低能加速器打交道的科学家来说，目前等离子体加速器的能量基本可以满足他们的需求。 他们的需求。 新的加速器大约一臂长，甚至可以随身携带。
其实我们也可以采用传统的加速器方式，让粒子在一个等离子体加速器中加速，然后飞到下一个等离子体加速器继续加速……这样，粒子的能量就可以加速到非常、非常高的水平，即使是现在的大型强子对撞机也远远落后。
届时，曾经风光无限的强子对撞机可能就要退出历史舞台了。