互动科普

1988年10月16日的清晨有些不同，钱三强、张文裕在内的几百位物理学家彻夜未眠，等待一个重要的时刻。

凌晨5点56分，北京正负电子对撞机首次对撞成功，亮度达到了每平方厘米每秒10²⁸。这是我国第一座高能加速器，功勋位列原子弹氢弹爆炸成功、人造卫星上天之后，这样的评价也让普通人对这个大家伙肃然起敬，而高能物理所更凭此屡获殊荣。

加速器曾被形象地誉为“原子击碎机”，是物理学家了解微观物质组成和运动规律的工具，它伴随着核物理产生，到现在已经为人类服务了近百年。半个多世纪以前（1948年），一位叫谢家麟的年轻人，从美国加州理工学院转学到以应用基础研究见长的斯坦福大学物理系继续学习，出于对微波物理与技术的痴迷和一份民族情愫，研制加速器成了他的终身事业。

赴美留学的“笨”学生

谢家麟出生于1920年。从小寄居在湖北叔叔家的他，度过了动荡而不失快乐的童年。他常和叔叔用照相机拍照，以一张四面盖着棉被的八仙桌下当作暗室，共同冲洗。每每看到一张白相纸上渐渐显出影像，汗流浃背即将要窒息的小谢家麟都会感到兴奋。“当时，叔叔家只有我一个孩子，他很有童心。”谈到童年，谢家麟呵呵地乐了：“我已经不大记得了，小时候学习成绩并不很好，大概是挺笨的。我记得很小的时候，叔叔握着我左右手，问我哪边是左，哪边是右，我永远是弄错的。叔叔说‘孩子还不错，就是笨一点儿。’”

谢家麟的父亲是位颇有名气的律师。18岁那年，谢家麟从乡下回到北平，就读于汇文中学。那时除了受到物理课程的吸引外，他的心思都在无线电上。1937年卢沟桥事变后，他自制的短波收音机还成为全家了解抗日战争情况的惟一渠道。次年，谢家麟靠“临时抱佛脚”位列保送燕京大学的名单，南渡又北归，经历了颠沛的10年。1947年，他通过了教育部举办的留学考试，惜别爱妻幼子，由上海乘“阿德水手”号赴美留学。

何谓加速器？

“第一次见到加速器是在加州理工学院。”谢家麟回忆：“那个是高压倍加加速器，一放电‘哗’地闪一下子，看着很有意思。”

加速器是人工产生高能量的带电粒子束的装置，它用加速了的粒子轰击一个静止的靶中的核子，或使两束高能粒子对头相撞。1869年，俄国科学家门捷列夫编制了化学元素周期表，这在科学史上是一个重大发展。但物质元素之间为什么能够呈周期性变化，当时的化学家并不能解释。直到1911年，英国物理学家卢瑟福做了一个“金箔实验”：他用放射性同位素产生的α粒子轰击微小的金箔，发现绝大多数的α粒子都照直穿过薄金箔，只有少数α粒子发生角度比预想大得多的偏转，于是，他推断原子有核，α粒子因为打中了原子核才发生偏转。尽管原子核尺度很小（10^-15米，原子尺度约为10^-10米）却集中了整个原子的质量，在原子核之外，有若干轨道排布着电子，它们就像行星守护太阳一样围绕着原子核公转。而不同元素之间性质之所以不同，正是由于构成原子的质子、中子和电子的数目存在差异。

卢瑟福的发现开启了核物理时代，科学家开始广泛使用钋和镭的放射性同位素作为粒子源，并通过这种方法发现了质子。随着研究的深入，很快天然的放射性元素就不能满足核物理实验的需要了。它们能够轰击的元素种类有限，加之能量很小，核反应的事例率也极低。想要将研究深入扩大，就需要能量更高和束流更强的粒子束。这对使用人工方法产生高能粒子束提出了迫切要求。另一方面，爱因斯坦建立的相对论中E=mc²公式表明，物体的能量E跟质量m等价。质量越大的物体能量越大，反过来，加速粒子的能量越高就越能产生质量大的新粒子。而人类每发现一种新粒子都意味着物理学面貌的焕然一新。

1932年，柯克罗夫特（J.D.Cock-roft）和沃尔顿（E.T.S.Walton）建成了世界上第一台直流加速器。而谢家麟在加州理工学院见到的高压倍加加速器，就属于直流高压加速器中的一类，只是原理略有不同，它利用电路对交流电进行调整（整流），然后使电压倍加而获得直流高压。因为那台高压倍加加速器已经过时，所以只有在“好莱坞拍恐怖、惊险电影时借用一下”。尽管如此，谢家麟还是对它产生了浓厚的兴趣。

图：中国高能物理实验第三代探测器

（本文发表于《科学世界》2012年第4期）