（本文由 Nautilus 授權轉載，撰文／Lina Zeldovich，插圖/James Walton，編譯/莘莘深）
物理學家用粒子加速器來回答基礎物理學的問題——我們的宇宙是怎麼來的，為什麼物體具有質量，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）周長有六公裡，而日內瓦的大型強子對撞機（Large Hadron Collider ，LHC）還要再大四倍——而且，它們都非常昂貴。在某些方面，它們是純研究用儀器的典範。但是，如果你覺得這些機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、滲入到了工業界，而且科學家們還在不停設想新的應用。當用於基礎研究的聯邦資金減少的時候，科學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，伊利諾州商業和經濟機會部（DCEO）聯手資助科學研究，並發展粒子加速器的應用。他和他的同事講解了你大概可能沒聽說過的10個粒子加速器的應用：
1. 牛奶盒子的封口，加速器幹的。
加速器用電磁力加速帶電粒子，所得的粒子束可以沿設定的方向運動——就算它們離開了加速器也一樣。當帶電粒子經過一個原子，它可以同這個原子中電子相互作用，把它們從原先的軌道中踢走，同時破壞掉化學鍵。這樣，某些化合物會分解掉，有些則會發生聚合。後者是粒子加速器被應用到工業界最早的例子，這項應用至少可以追溯到20世紀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製成。這種膠水在工業傳送帶上需要很長時間才能幹。「永遠都會是黏糊糊的。」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，並且需要管道傳輸。所以每年都有數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——造成了汙染和浪費。
根據西部價值項目（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。化學反應可以將天然氣轉化成液態烴或者石油，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。加速器可以通過用電子束打破碳氫鍵來實現同樣的目標，從而使得天然氣和重新結合成鏈狀聚合物。這個過程據柯法特所說理論上可以奏效，但是還停留在未來技術的階段——還沒有建成的原型。
3. 擔心菠菜有大腸桿菌？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」的標誌，那麼你的食物已經接受過電子束的輻照滅菌。超過40個國家利用這項技術殺死蘋果、草莓、菠菜等產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校正後可以摧毀病原體，但是不會影響產品本身。
分子越複雜，越容易被電子束打碎——細菌的DNA要比植物的DNA更複雜，所以它們會先被分解掉。不像意外核事故產生的放射性同位素，這種電子束完全在人們掌控之中，並且，也不像質子或者中子，它們不會破壞原子核。「我們現在說的這種射線來自於加速器，所以當你關掉開關，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裡。
燃燒煤炭會產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，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）混合後並接受電子束的放射，它們可以轉化成硫酸銨和硝酸銨，也就是普通的肥料。這個過程產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，然後施到田裡面。
柯法特認為這個想法讓煤炭有機會成為清潔能源。「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，該公司位於加拿大英屬哥倫比亞，致力於率先建成這項技術。
5. 抗生素危害魚類？加速器變藥成肥。
加速器可以用來清理汙泥，它可以清除引發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。用電子束照射汙泥可以分解裡面的藥物，把它們變成無害的化合物。電子射線還可以將水離子化，產生H3O 和OH的自由基，創造非常利於氧化還原反應發生的環境。這種方法同樣可以把複雜的藥物化合物分解成基本元素，同時殺死病原體。「你可以放心地把經過輻照的汙泥用在生菜地裡面。」柯法特說道。
90年代初，佛羅裡達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。儘管這座工廠可以運作，這項技術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化。「購買處理城市垃圾的垃圾場需要完整（配套）的系統。」他解釋道，但「現在得到工業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並不是加速器的唯一絕招——它們可還可以用來構造新的材料。計算機晶片生產依賴一項稱為「摻雜」的技術，其中硼和磷離子是用加速器注入到矽層中的。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。然後這些離子穿透矽晶片的表面並被放置在內部的精確位置。這會改變材料的導電性。
7. 加速器消滅癌症，讓你活得更久
電子束並不是可以用來殺死有害生物的唯一帶電粒子。質子可以消滅腫瘤，適合用於放療因為它們比電子的穿透力更強。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胞。
「質子在路程終點會失去大部分能量並造成最大傷害，放射性傷害。」施爾特瑟夫說道。這讓科學家可以調整加速器，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。將近半個世紀後，第一個醫用質子束加速器在羅馬林達大學醫學中心（Loma Linda University Medical Center）開始運作。
羅馬林達大學醫學中心的質子加速器：自1990年開始運行之後，超過17000位病人在羅馬林達大學醫學中心接受了質子治療。圖片來源：Loma Linda University Medical Center
8. 核反應堆可以防患於未然嗎？可以，如果讓粒子加速器接手。
傳統核反應堆是臨界反應堆——它們會產生過量的中子，需要由控制棒吸收調節。問題是控制棒可能會因機械問題而故障，造成反應失控。加速器驅動的次臨界系統可以直接控制中子的供應，而無需等中子過量之後再想辦法消耗。
在加速器驅動的原子反應堆中，質子束撞擊重靶核（鉛或者水銀）來產生「中子噴泉」，然後再利用這些中子驅動核裂變，如柯法特所說。這種設計很安全，他指出，因為「當你關掉加速器，核反應就停止了。」加速器反應堆還可以將現存的核廢料分解轉化成短壽命同位素。目前這種反應堆還沒有被建成，但歐洲，印度和中國都在研發這種反應堆，柯法特說道。
9. 石油用完了？加速器幫你找。
可攜式中子發生器（中子管）通過一種叫做中子測井的技術勘測石油、天然氣或者水資源。在勘探過程中，中子放到勘探鑽井中。當加速器產生的中子穿過鑽井周圍的土地時，它們同各種原料的原子核發生反應。這個過程產生的伽馬射線可以利用伽馬射線探測器檢測到。這些信號的強度反應了地下材料的類型。「通常人們要查看反應特徵。」施爾特瑟夫說道，「如果有孔，那麼放射出來的伽馬射線會比較少。」同理，石油和水會產生不同量的伽馬射線。
10. 加速器緊盯大規模殺傷性武器。
μ介子加速器可以讓我們真的穿牆而「看」。μ介子——一種同電子相似的亞原子，但它的質量大得多——可以輕易地穿過厚重的金屬牆壁和容器，但是會同核材料發生反應。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，發出的μ介子穿過卡車可以產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，直升機可以攜帶μ介子加速器飛過水麵，同時向船隻發射μ介子射線。「你可以遠程發送輻射，射線會選擇性地與材料相互作用，然後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）
來源：果殼網
本文由 Nautilus 授權果殼網（guokr.com）編譯發表。
編譯自 Nautilus, 10 Reasons Why You Can't Live Without A ParticleAccelerator
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