（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(lái)回答基礎(chǔ)物理學(xué)的問(wèn)題——我們的宇宙是怎么來(lái)的，為什么物體具有質(zhì)量，等等等等。很多粒子加速器個(gè)頭巨大——在芝加哥附近費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的萬(wàn)億電子伏加速器（Tevatron）周長(zhǎng)有六公里，而日內(nèi)瓦的大型強(qiáng)子對(duì)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(jué)得這些機(jī)器在研究之外一無(wú)是處的話，你會(huì)大吃一驚的。

粒子加速器早在幾十年前就逐漸走出實(shí)驗(yàn)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(shí)候，科學(xué)家就會(huì)想新辦法來(lái)籌錢。羅伯特•柯法特（Robert Kephart）是伊利諾伊加速器中心費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的主任，伊利諾伊州商業(yè)和經(jīng)濟(jì)機(jī)會(huì)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(méi)聽(tīng)說(shuō)過(guò)的10個(gè)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(yùn)動(dòng)——就算它們離開(kāi)了加速器也一樣。當(dāng)帶電粒子經(jīng)過(guò)一個(gè)原子，它可以同這個(gè)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(shí)破壞掉化學(xué)鍵。這樣，某些化合物會(huì)分解掉，有些則會(huì)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(xiàng)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(zhǎng)時(shí)間才能干?！坝肋h(yuǎn)都會(huì)是黏糊糊的?！笨路ㄌ卣f(shuō)——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?！?/p>

2. 大量天然氣被浪費(fèi)，加速器來(lái)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(wàn)立方英尺的天然氣被燃掉或被排掉而沒(méi)有被傳送到市場(chǎng)——造成了污染和浪費(fèi)。

根據(jù)西部?jī)r(jià)值項(xiàng)目（Western Values Project）估計(jì)，2013年美國(guó)浪費(fèi)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(gè)過(guò)程要求很高的溫度和壓力，只有大工廠才能實(shí)現(xiàn)。加速器可以通過(guò)用電子束打破碳?xì)滏I來(lái)實(shí)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(gè)過(guò)程據(jù)柯法特所說(shuō)理論上可以奏效，但是還停留在未來(lái)技術(shù)的階段——還沒(méi)有建成的原型。

3. 擔(dān)心菠菜有大腸桿菌？加速器來(lái)消滅它們。

如果你看見(jiàn)包裝袋上有左邊這個(gè)叫做“Radura”的標(biāo)志，那么你的食物已經(jīng)接受過(guò)電子束的輻照滅菌。超過(guò)40個(gè)國(guó)家利用這項(xiàng)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(fèi)米實(shí)驗(yàn)室加速器物理中心主任，他解釋說(shuō)這種電子束經(jīng)校正后可以摧毀病原體，但是不會(huì)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(huì)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(huì)破壞原子核?！拔覀儸F(xiàn)在說(shuō)的這種射線來(lái)自于加速器，所以當(dāng)你關(guān)掉開(kāi)關(guān)，所有放射都停止了?！笨路ㄌ卣f(shuō)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(huì)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(huì)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(gè)過(guò)程產(chǎn)生的粉塵狀顆?？梢杂渺o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(gè)想法讓煤炭有機(jī)會(huì)成為清潔能源。“即便是在對(duì)再生能源和核能最樂(lè)觀的估計(jì)下，煤炭在未來(lái)的20年內(nèi)至少還要提供我們所需能量的20%?！笨路ㄌ卣f(shuō)，“這個(gè)方法能讓燃煤更符合環(huán)保要求?！盤AVAC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(xiàng)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(lái)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(duì)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(wú)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(shí)殺死病原體。“你可以放心地把經(jīng)過(guò)輻照的污泥用在生菜地里面?！笨路ㄌ卣f(shuō)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(yàn)性工廠。盡管這座工廠可以運(yùn)作，這項(xiàng)技術(shù)還不能解決所有問(wèn)題，柯法特說(shuō)，所以這個(gè)想法還沒(méi)有被商業(yè)化?！百?gòu)買處理城市垃圾的垃圾場(chǎng)需要完整（配套）的系統(tǒng)?！彼忉尩溃艾F(xiàn)在得到工業(yè)界的資助還為時(shí)過(guò)早?！?/p>

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(lái)構(gòu)造新的材料。計(jì)算機(jī)芯片生產(chǎn)依賴一項(xiàng)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(chǎng)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(huì)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(lái)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?yàn)樗鼈儽入娮拥拇┩噶Ω鼜?qiáng)。它們?cè)诖┩附M織的過(guò)程中造成很少傷害，但它停下來(lái)的時(shí)候就足以殺死細(xì)胞。

“質(zhì)子在路程終點(diǎn)會(huì)失去大部分能量并造成最大傷害，放射性傷害?！笔柼厣蛘f(shuō)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(gè)概念在1946年由費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的第一任主任羅伯特•威爾遜（Robert Wilson）提出。將近半個(gè)世紀(jì)后，第一個(gè)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(kāi)始運(yùn)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(kāi)始運(yùn)行之后，超過(guò)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(lái)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(huì)產(chǎn)生過(guò)量的中子，需要由控制棒吸收調(diào)節(jié)。問(wèn)題是控制棒可能會(huì)因機(jī)械問(wèn)題而故障，造成反應(yīng)失控。加速器驅(qū)動(dòng)的次臨界系統(tǒng)可以直接控制中子的供應(yīng)，而無(wú)需等中子過(guò)量之后再想辦法消耗。

在加速器驅(qū)動(dòng)的原子反應(yīng)堆中，質(zhì)子束撞擊重靶核（鉛或者水銀）來(lái)產(chǎn)生“中子噴泉”，然后再利用這些中子驅(qū)動(dòng)核裂變，如柯法特所說(shuō)。這種設(shè)計(jì)很安全，他指出， 因?yàn)椤爱?dāng)你關(guān)掉加速器，核反應(yīng)就停止了?！奔铀倨鞣磻?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(méi)有被建成，但歐洲，印度和中國(guó)都在研發(fā)這種反應(yīng)堆，柯法特說(shuō)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(guò)一種叫做中子測(cè)井的技術(shù)勘測(cè)石油、天然氣或者水資源。在勘探過(guò)程中，中子放到勘探鉆井中。當(dāng)加速器產(chǎn)生的中子穿過(guò)鉆井周圍的土地時(shí)，它們同各種原料的原子核發(fā)生反應(yīng)。這個(gè)過(guò)程產(chǎn)生的伽馬射線可以利用伽馬射線探測(cè)器檢測(cè)到。這些信號(hào)的強(qiáng)度反應(yīng)了地下材料的類型?！巴ǔＨ藗円榭捶磻?yīng)特征?！笔柼厣蛘f(shuō)道，“如果有孔，那么放射出來(lái)的伽馬射線會(huì)比較少。”同理，石油和水會(huì)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(guò)厚重的金屬墻壁和容器，但是會(huì)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(guò)卡車可以產(chǎn)生出高能的伽馬射線從而被檢測(cè)到。

這使得μ介子加速器成為識(shí)別核威脅的寶貴工具。舉個(gè)例子，直升機(jī)可以攜帶μ介子加速器飛過(guò)水面，同時(shí)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(huì)選擇性地與材料相互作用，然后就能知道在船上有沒(méi)有某些特定的材料?！笔柼厣蛘f(shuō)， “那樣你就能搞清楚這條小船是否攜帶了核彈部件?！保ň庉嫞篍nt）