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（本文由 Nautilus 授權(quán)轉(zhuǎn)載，撰文／Lina Zeldovich，插圖/James Walton，編譯/莘莘深）物理學(xué)家用粒子加速器來回答基礎(chǔ)物理學(xué)的問題——我們的宇宙是怎么來的，為什么物體具有質(zhì)量，等等等等。很多粒子加速器個頭巨大——在芝加哥附近費米實驗室的萬億電子伏加速器（Tevatron）周長有六公里，而日內(nèi)瓦的大型強(qiáng)子對撞機(jī)（Large Hadron Collider ，LHC）還要再大四倍——而且，都它們都非常昂貴。在某些方面，它們是純研究用儀器的典范。但是，如果你覺得這些機(jī)器在研究之外一無是處的話，你會大吃一驚的。

粒子加速器早在幾十年前就逐漸走出實驗室、滲入到了工業(yè)界，而且科學(xué)家們還在不停設(shè)想新的應(yīng)用。當(dāng)用于基礎(chǔ)研究的聯(lián)邦資金減少的時候，科學(xué)家就會想新辦法來籌錢。羅伯特•柯法特（Robert Kephart）是伊利諾伊加速器中心費米實驗室的主任，伊利諾伊州商業(yè)和經(jīng)濟(jì)機(jī)會部（DCEO）聯(lián)手資助科學(xué)研究，并發(fā)展粒子加速器的應(yīng)用。他和他的同事講解了你大概可能沒聽說過的10個粒子加速器的應(yīng)用：

1. 牛奶盒子的封口，加速器干的。

加速器用電磁力加速帶電粒子，所得的粒子束可以沿設(shè)定的方向運動——就算它們離開了加速器也一樣。當(dāng)帶電粒子經(jīng)過一個原子，它可以同這個原子中電子相互作用，把的它們從原先的軌道的中踢走，同時破壞掉化學(xué)鍵。這樣，某些化合物會分解掉，有些則會發(fā)生聚合。后者是粒子加速器被應(yīng)用到工業(yè)界最早的例子，這項應(yīng)用至少可以追溯到20世紀(jì)80年代：給薯片袋子和牛奶盒子封口。薯片袋子由兩層用膠水粘在一起的鋁箔制成。這種膠水在工業(yè)傳送帶上需要很長時間才能干。“永遠(yuǎn)都會是黏糊糊的。”柯法特說——但是電子束可以讓這一切瞬間發(fā)生，“用加速器你可以瞬間讓膠水聚合。”

2. 大量天然氣被浪費，加速器來搞定。

比起石油，天然氣更加難以駕馭，并且需要管道傳輸。所以每年都有數(shù)百萬立方英尺的天然氣被燃掉或被排掉而沒有被傳送到市場——造成了污染和浪費。

根據(jù)西部價值項目（Western Values Project）估計，2013年美國浪費的天然氣足夠支持洛杉磯或者芝加哥全年用度。化學(xué)反應(yīng)可以將天然氣轉(zhuǎn)化成液態(tài)烴或者石油，但是這個過程要求很高的溫度和壓力，只有大工廠才能實現(xiàn)。加速器可以通過用電子束打破碳?xì)滏I來實現(xiàn)同樣的目標(biāo)，從而使得天然氣和重新結(jié)合成鏈狀聚合物。這個過程據(jù)柯法特所說理論上可以奏效，但是還停留在未來技術(shù)的階段——還沒有建成的原型。

3. 擔(dān)心菠菜有大腸桿菌？加速器來消滅它們。

如果你看見包裝袋上有左邊這個叫做“Radura”的標(biāo)志，那么你的食物已經(jīng)接受過電子束的輻照滅菌。超過40個國家利用這項技術(shù)殺死蘋果、草莓、菠菜等產(chǎn)品中的沙門氏菌或大腸桿菌等生物。弗拉基米爾•施爾特瑟夫（Vladimir Shiltsev）是費米實驗室加速器物理中心主任，他解釋說這種電子束經(jīng)校正后可以摧毀病原體，但是不會影響產(chǎn)品本身。

分子越復(fù)雜，越容易被電子束打碎——細(xì)菌的DNA要比植物的DNA更復(fù)雜，所以它們會先被分解掉。不像意外核事故產(chǎn)生的放射性同位素，這種電子束完全在人們掌控之中，并且，也不像質(zhì)子或者中子，它們不會破壞原子核。“我們現(xiàn)在說的這種射線來自于加速器，所以當(dāng)你關(guān)掉開關(guān)，所有放射都停止了。”柯法特說道。同樣地，電子束被用在輻照滅菌器（rhodotron）中，為醫(yī)用器具消毒。

4. 煤炭可以成為清潔能源嗎？可以，如果你把加速器安在煙囪里。

燃燒煤炭會產(chǎn)生諸如氮氧化物和硫氧化物的煙道氣體：NO2(二氧化氮)， NO3(三氧化氮)， SO2(二氧化硫)，和 SO3(三氧化硫)等等。這些氣體會同大氣中的水反應(yīng)，從而變成硫酸或硝酸，最終以有毒酸雨的形式澆在地球上。但是如果這些氧化物與氨氣（NH3）混合后并接受電子束的放射，它們可以轉(zhuǎn)化成硫酸銨和硝酸銨，也就是普通的肥料。這個過程產(chǎn)生的粉塵狀顆粒可以用靜電式分離器或者離心式分離器收集，然后施到田里面。

柯法特認(rèn)為這個想法讓煤炭有機(jī)會成為清潔能源。“即便是在對再生能源和核能最樂觀的估計下，煤炭在未來的20年內(nèi)至少還要提供我們所需能量的20%。”柯法特說，“這個方法能讓燃煤更符合環(huán)保要求。”PAVAC是由拉爾夫•艾丁格（Ralf Edinger）成立的一家公司，該公司位于加拿大英屬哥倫比亞，致力于率先建成這項技術(shù)。

5. 抗生素危害魚類？加速器變藥成肥。

加速器可以用來清理污泥，它可以清除引發(fā)藻類大量繁殖的氮和磷，以及那些對魚類有害的激素和抗生素。用電子束照射污泥可以分解里面的藥物，把它們變成無害的化合物。電子射線還可以將水離子化，產(chǎn)生H3O+ 和OH的自由基，創(chuàng)造非常利于氧化還原反應(yīng)發(fā)生的環(huán)境。這種方法同樣可以把復(fù)雜的藥物化合物分解成基本元素，同時殺死病原體。“你可以放心地把經(jīng)過輻照的污泥用在生菜地里面。”柯法特說道。

90年代初，佛羅里達(dá)的邁阿密建造了一座用加速器清理城市垃圾的試驗性工廠。盡管這座工廠可以運作，這項技術(shù)還不能解決所有問題，柯法特說，所以這個想法還沒有被商業(yè)化。“購買處理城市垃圾的垃圾場需要完整（配套）的系統(tǒng)。”他解釋道，但“現(xiàn)在得到工業(yè)界的資助還為時過早。”

6. 新電腦入手。多虧加速器。

分解分子和摧毀病原體的DNA并不是加速器的唯一絕招——它們可還可以用來構(gòu)造新的材料。計算機(jī)芯片生產(chǎn)依賴一項稱為“摻雜”的技術(shù)，其中硼和磷離子是用加速器注入到硅層中的。這些離子帶正電，所以加速器可以利用電磁場控制這些離子束的方向。然后這些離子穿透硅晶片的表面并被放置在內(nèi)部的精確位置。這會改變材料的導(dǎo)電性。

7. 加速器消滅癌癥，讓你獲得更久

電子束并不是可以用來殺死有害生物的唯一帶電粒子。質(zhì)子可以消滅腫瘤，適合用于放療因為它們比電子的穿透力更強(qiáng)。它們在穿透組織的過程中造成很少傷害，但它停下來的時候就足以殺死細(xì)胞。

“質(zhì)子在路程終點會失去大部分能量并造成最大傷害，放射性傷害。”施爾特瑟夫說道。這讓科學(xué)家可以調(diào)整加速器，將破壞力釋放到腫瘤的精確位置。這個概念在1946年由費米實驗室的第一任主任羅伯特•威爾遜（Robert Wilson）提出。將近半個世紀(jì)后，第一個醫(yī)用質(zhì)子束加速器在羅馬林達(dá)大學(xué)醫(yī)學(xué)中心（Loma Linda University Medical Center）開始運作。

羅馬林達(dá)大學(xué)醫(yī)學(xué)中心的質(zhì)子加速器：自1990年開始運行之后，超過17000位病人在羅馬林達(dá)大學(xué)醫(yī)學(xué)中心接受了質(zhì)子治療。圖片來源：Loma Linda University Medical Center

8. 核反應(yīng)堆可以防患于未然嗎？可以，如果讓粒子加速器接手。

傳統(tǒng)核反應(yīng)堆是臨界反應(yīng)堆——它們會產(chǎn)生過量的中子，需要由控制棒吸收調(diào)節(jié)。問題是控制棒可能會因機(jī)械問題而故障，造成反應(yīng)失控。加速器驅(qū)動的次臨界系統(tǒng)可以直接控制中子的供應(yīng)，而無需等中子過量之后再想辦法消耗。

在加速器驅(qū)動的原子反應(yīng)堆中，質(zhì)子束撞擊重靶核（鉛或者水銀）來產(chǎn)生“中子噴泉”，然后再利用這些中子驅(qū)動核裂變，如柯法特所說。這種設(shè)計很安全，他指出， 因為“當(dāng)你關(guān)掉加速器，核反應(yīng)就停止了。”加速器反應(yīng)堆還可以將現(xiàn)存的核廢料分解轉(zhuǎn)化成短壽命同位素。目前這種反應(yīng)堆還沒有被建成，但歐洲，印度和中國都在研發(fā)這種反應(yīng)堆，柯法特說道。

9. 石油用完了？加速器幫你找。

便攜式中子發(fā)生器（中子管）通過一種叫做中子測井的技術(shù)勘測石油、天然氣或者水資源。在勘探過程中，中子放到勘探鉆井中。當(dāng)加速器產(chǎn)生的中子穿過鉆井周圍的土地時，它們同各種原料的原子核發(fā)生反應(yīng)。這個過程產(chǎn)生的伽馬射線可以利用伽馬射線探測器檢測到。這些信號的強(qiáng)度反應(yīng)了地下材料的類型。“通常人們要查看反應(yīng)特征。”施爾特瑟夫說道，“如果有孔，那么放射出來的伽馬射線會比較少。”同理，石油和水會產(chǎn)生不同量的伽馬射線。

10. 加速器緊盯大規(guī)模殺傷性武器。

μ介子加速器可以讓我們真的穿墻而“看”。μ介子——一種同電子相似的亞原子，但它的質(zhì)量大得多——可以輕易地穿過厚重的金屬墻壁和容器，但是會同核材料發(fā)生反應(yīng)。如果一輛卡車，也許是邊境巡邏人員駕駛的卡車，裝有隱蔽的裂變材料，發(fā)出的μ介子穿過卡車可以產(chǎn)生出高能的伽馬射線從而被檢測到。

這使得μ介子加速器成為識別核威脅的寶貴工具。舉個例子，直升機(jī)可以攜帶μ介子加速器飛過水面，同時向船只發(fā)射μ介子射線。“你可以遠(yuǎn)程發(fā)送輻射，射線會選擇性地與材料相互作用，然后就能知道在船上有沒有某些特定的材料。”施爾特瑟夫說， “那樣你就能搞清楚這條小船是否攜帶了核彈部件。”（編輯：Ent）