人类在对宇宙极大和极小两个方面的面貌进行探索时，所需要的各种仪器越来越复杂而且昂贵，光学和射电望远镜窥视宇宙的深处，洞察恒星的细节，发现重要的前所未知的天体。在尺度的另一端，巨大的粒子加速器（依靠其不断增长的能量）通过愈趋深入地探测物质世界的组分，揭示了丰富多彩而复杂的结构，而这在40年之前是无法想象的。

对亚原子王国的成员以及它们之间相互作用方穴的研究，使我们对支配物理世界的规律有了更深刻的认识。我们现在已经有了一幅“基本粒子”组成物质的阁景：四种“基本”力把粒子结合在一起。这四种力的强度和作用距离各不相同：从把原子核结合在一起的强核力一直到使恒星和星系联在一起的引力。基本粒子似乎可分成两大类族：组成质子、中子和较奇异的亲属的强相互作用夸克和轻子，例如电子和中微子，它们不承受强力。但是，这幅图景是不完整的，最新的加速器正致力于寻找缺失的环节。我们还不知道是否已经到达亚质子世界最核心的结构层次；夸克和轻子是否事实上由更加基本的实体组成呢？

回答这类问题和寻求缺失东西的途径之一，是建造能达到更高能量的粒子加速器。但是，很清楚的是，加速器越大，费用也就越昂贵。特别是在现有的技术水平看来已接近极限时，这种情况开始引起人们的关切。如果我们想让粒子物理学的研究扩展到更高能量水平，就需要突破，需要能够开辟全新能量范围的新思想。

过去30年里，曾出现过几个“突破点”，一种新思想或一项新技术突然从那里扩展了粒子加速器所能达到的能量水平。这个进步通常用“利文斯顿图”表示，它以粒子加速器的先驱者之一利文斯顿的名字命名的。这图表明，这些年里，当一种类型加速器取代另一种时，被加速粒子束的最大能量的增长情况。它表明了各种不同加速器的性能，但更加重要的是，它还告诉人们，在过去50年里，能量每10年增加25倍，亦即50年中共增大了1千万倍。在这50年中，单位能量的成本约降低刻一百万分之一，相当于每10年降低16倍。相对成本的明显降低，是由于新思想不断涌现。问题在于，这种势头怎么能够保持下去呢？无疑，加速器的成本是不可能增加的：因此，我们应当寻找新的思想，而且它们又节省资源，也不需要特别复杂的技术。

在展望未来之前，回顾一下过去，看看利文斯顿图表达的那引人注目的“增长规律”如何产生，是很有意思的。

在本世纪初叶，P · 莱纳德就已经用一台肯定是粒子加速器的仪器，证明对高能电子来说，物质是透明的；但历史学家通常认为这一门学科始于约50年之前，那时候，剑桥卡文迪许实验室的科克罗夫特爵士和E. T. S. 沃尔顿建成了静电加速器，加利福尼亚伯克利的E · 劳伦斯制成回旋加速器。在这些加速器投入运转后，莱纳德时代的原子结构的奥秘便得到相当充分的了解，物理学的“前线”便移到了原子核这个微小世界。1939年大战爆发时，建成的静电加速器和回旋加速器已经有好几台，它们提供了关于原子核波其他粒子轰击时所发生的情况的大量信息。研究人员观察了许多核反应，而日益精确的实验测定展示出复杂的核“光谱学”。虽然核力的本性至今还模糊不清，但理论家还是提出了几个半经验的核模型。

第二次世界大战结束后，发展和建造加速器得到了理想的条件。原子弹引起的惊异和便宜而又干净的核能前景，使核物理变成自然科学中最有魅力的一门学科。这种热情和破坏性冲突时期过后人们对“新世界”的向往，再加上军事上的兴趣，促使许多人愿意参与这个新领域的工作，政府也十分乐于解囊、战争还显示出科学家集体工作解决大规模任务的力量。建造加速器所需的技术，也在其他领域里取得发展：雷达需要高频电源和分离铀同位素应用真空技术，此外，“相位稳定”这个重要概念，指明了将粒子加速到战前梦想不到的高能的途径。这个概念是由苏联的В. И. 维克斯勒和美国的E. M. 麦克米伦各自独立发现的。

越大越好

当时称得上“大型”的第一轮新加速器包括能达到几百万电子伏（MeV）能量的电子同步加速器和质子同步加速器。这两类加速器都根据新的相稳定性原理进行工作：当粒子行进速度太快时，会自动移到粒子束中加速场较弱的地方，运动太慢的粒子则正好相反。早在四十年代，就有了建造l，000 MeV（或1 GeV）加速器的计划。这全都是些同步加速器，具有环形磁铁，要比回旋加速器巨大的圆形磁铁来得经济。在这段时期里，直线性加速器的技术也牢固确立了起来，它在圆形同步加速器之外，为电子的加速提供了另一种有吸引力的装置。

另一个重大步骤发生于1952年，导致第二轮大型加速器。这就是纽约布鲁克海文实验室发现的“强聚焦”原理。这个原理使粒子束聚焦得更密集，因而能在更细小的真空管中行进，通过孔径较小的磁铁。因此，利用给定重量和能耗的磁铁，工程师能建造成大得多的环，相应地粒子能量也更高。五十年代末，应用这个原理建成的两台大型质子加速器开始运转，对于质子的“轨道半径”约为100米，能量达到30 GeV左右。先运行的一台属于日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室（CERN），类似的一台接着很快也在布鲁克海文开始运转。（原来，在布鲁克海文的物理学家不知情的情况下，一位希腊工程师N · 克里斯托菲洛斯于1950年在雅典就获得了强聚焦的专利权。）

在50年代里，还出现过奸几种发展势头和不同思想，虽然它们并不具有永久性的价值。一个重要活动中心是美国的中西大学研究协会（MURA）。这个组织是在1941年发明电子感应加速器的同步加速器先驱D · 克斯特领导下发起的。虽然MURA未能实现建造一台大型加速器的尝试，但却为这理论奠定了较为牢固的基础，从而导致了一些有价值的基本见识和若干新概念。在MURA所研究的思想中，意义最深远首推“相互作用束存储环”。沿相反方向环行的粒子束，在沿磁环圆周的一些点上互相遭遇，使粒子对发生“碰撞”。这样所释放出来的能量，特别在粒子近光速运动时，要比粒子撞击固定靶时释放的能量大得多。

在60年代和70年代里已经开始反对对早期那种热衷于在核能上耗费巨资的热情，因此要取得“巨额”款项已变得越来越困难，但在这一时期里加速器仍然取得了稳步发展。而且，现在变得更清楚的是，更高的能量对军方并不具有多大吸引力。虽然如此，各个大型国家实验室还是继续建造了不少电子和质子加速器，并使建造存储环的技术臻于完善。

眼下，最大的加速器是CEHN和芝加哥附近费米实验室的巨型质子同步加速器，它们的直径都将近2公里，被加速质子的能量高达400之间。最大的电子加速器则是加州斯坦福的24 GeV的直线性加速器，其长度为3公里。最新的所有电子加速器都有存储环，沿相反方向运行的电子和正电子束在同一个环内发生碰撞。这些加速器的能量每束电子达到近20 GeV。另一个有独创性的方案使用CERN的同步加速器环来提供一个质子 - 反质子对撞装置，总能量达540 GeV。同时，费米实验室也在把它的500 GeV加速器改装为对撞机。由于使用了超导磁铁，它的能量上限可扩展到1，000 GeV。而当前最雄心勃勃的事业，应推准备在CERN建造的巨型电子 - 正电子存储环LEP，其硕大无朋的圆形隧道长达27公里。在它的“第二阶段”里，获得的总能量将超过200 GeV。

过去的历史就谈到这里。将来怎样呢？现有的高能加速器，全都靠带电粒子同电磁导波之间的连续相互作用进行工作。这些粒子的速度总是低于光速，因而加速波也必须这样，才能与粒子保持同步。因为这种波存在在真空中，故必须把它们“绑在”一个制导结构上；并且如果它们沿传播方向具有有效电场分量，那它们只能在离这结构一个波长左右的地方存在（当玻璃块内部反射光线时，在其外面就产生的类似的“短暂的”或“缓慢的”波。），可见，任何加速粒子的新思想都必须考虑到这些一般原则。

驾驭激光

研制新颖加速器的一种流行想法，是利用激光。今年年初，物理学家们聚集在美国的洛斯阿拉莫斯的一个“车间”里，他们对这个想法进行了仔细的讨论。自从日本的下田耕一（Koichi Shimoda）20年前第一次提出这个思想以来，对于这究竟怎么可以做，一直众说纷纭。基本的战略是依赖于大型现代激光器所能产生的巨大电场，其数值达到每厘米许多亿伏。因此，问题在于我们如何让粒子跟这些电场发生相互作用。我们可以建造一个小型直线性加速器，小到足能对激光的短波长发生影响。一个衍射光栅具有与之适应的几何尺寸。可惜的是，其结构周围的电击穿严重限制了这种器件所能维持的加速电场。而且，这极端小的尺寸也限制了电流强度，也即限制了它所能接受的粒子数目，结果要求机械结构有几乎不可能的容差。

如果我们试图在自由空间里使用激光束而不加以制导，那就会有两个困难：第一，光波总是比粒子运动得快，第二，如果波和粒子同向运动，则电场将垂直于粒子的运动方向，而不是与之平行，以致不能产生有用的相互作用。不过，我们可以用多变静磁场“调制”粒子的路径，让它沿自己的主方向振荡，一边前进，一边从激光束得到能量。顺便指出，这正是自由电子激光器的相反机制。不幸的是，电场仍然几乎同粒子方向相垂直，在高能上的加速效率也并不很可观。

如果必须把粒子在其空中运动的限制去除，那就可能产生沿粒子路径具有场分量的慢波。一个这样的可能性是，两个不同频率的激光束在等离子体里建立的波形。在激光束的作用下，等离子体在沿与激光束相同的方向上具有电场的一个波中分离成正电荷的区域和负电荷的区域。从“信封背面”对这种方法所能达致的加速度的估计值看来颇为动人，但还没有人对此进行过现实的分析。其他一些采用强电子束中的波的方案，在极强场方面，看来不怎么有前途。

假如我们不利用谐和的波动场，而是依靠与带电粒子束相联的强电场，以“拖动”其他粒子一起运动。换句话说，一个被加速粒子束产生的场可以用来加速另一束粒子。关于这一类“集团”加速器，也有许多想法，最早的是H · 阿尔芬和O · 温霍姆于30年前在斯德哥尔摩提出来的“驴加速器”。在这里，与高强度电子束中的聚焦相联的场是“胡萝卜”，而被加速的粒子则是“驴子”。

一个更复杂的例子是“电子环”加速器，它是R · 舍斯比 - 哈维于1951年在莫尔文写的一篇未发表的短文中预言的。苏联科学家把它发展为一个现实的概念。70年代里，在杜布纳联合核研究所和加州劳伦斯伯克利实验室里，对这种加速器设想进行了实验和理论两方面的详细研究，由围绕电子环的电流所产生的磁场维系在一起的闭合电子环，具有局域的内电场，它比加速这电子环所需的强度要高得多。这个想法是可行的，但费用昂贵且设备复杂，同时也不提供足够产生我们所要求的高能的加速场。

在汉堡附近的粒子物理实验室里，一直在研究DESY的存储环里的电子所留下的“尾流场”的G · A · 伏斯和T · 韦兰德，提出了一个有待评价的新思想。足够强大和密集的电子束在同步加速器圆环中运动时、在真空室里留下了电磁“尾流”，犹如驶过的船只在水面上留下痕迹。适当的设计有可能使这些场变得比加速电子束所需要的场强大得多。因此，尾随接近光速飞行的电子束的粒子，有可能达到极高的能量。

本周在牛津开会的科学家将对上述所有思想及其他一些思想加以研究。其实，加速粒子的可行方法有很多种。在会上，我和其他人将要听到关于“宇宙”加速器的最新想法，宇宙加速器能产生能量比地球上所能达到的都要高得多的宇宙线。问题在于，这许多想法（其中有许多已经出现了很长时间）是否有希望带来我们期望已久的突破？

[New Scientist、1982年9月30日]