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黑洞“加速器”真的能實(shí)現(xiàn)嗎?

黑洞首張照片的發(fā)布，在全球范圍內(nèi)引起巨大轟動(dòng)。“黑洞是什么?黑洞里面有什么?我們可不可以制造一個(gè)人工黑洞?”對(duì)于前兩個(gè)問(wèn)題，目前在科學(xué)研究領(lǐng)域存在許多爭(zhēng)議。但是，關(guān)于“制造”人工黑洞這個(gè)問(wèn)題，借助一種科學(xué)裝置，也許我們可以在實(shí)驗(yàn)室中將其實(shí)現(xiàn)——這種科學(xué)裝置就是粒子加速器。

粒子加速器全名為“荷電粒子加速器”，是一種可以使帶電粒子在高真空環(huán)境中受磁場(chǎng)力控制、電場(chǎng)力加速而達(dá)到高能量的特種電磁、高真空裝置，也是為人類(lèi)提供各種能量的粒子束或輻射線，如電子、質(zhì)子、氘核、α粒子、各種重離子以及其他一些微觀粒子的現(xiàn)代化裝備。

根據(jù)加速粒子種類(lèi)的不同，粒子加速器可分為電子加速器、質(zhì)子和重離子加速器以及微物質(zhì)粒子，如粉末、灰塵等加速器(又稱微粒子團(tuán)加速器);根據(jù)加速粒子能量高低，粒子加速器可分為低能加速器、中能加速器、高能加速器以及超高能加速器;根據(jù)加速粒子運(yùn)動(dòng)軌道的形狀不同，粒子加速器又可分為直線加速器、回旋加速器和環(huán)形加速器。

世界上著名的歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC就是一個(gè)超高能、環(huán)形粒子加速器，可以將質(zhì)子加速到極接近光速的超高能狀態(tài)。在LHC中，當(dāng)兩個(gè)極接近光速的質(zhì)子發(fā)生“碰撞”時(shí)，就有機(jī)會(huì)制造出微型的人工黑洞。因此，LHC被稱為潛在的“黑洞加工廠”。此外，科學(xué)家在2012年借助LHC發(fā)現(xiàn)了“上帝粒子”——希格斯玻色子，在補(bǔ)上了粒子物理學(xué)“標(biāo)準(zhǔn)模型”最后一塊板的同時(shí)，極大推動(dòng)了物理學(xué)的進(jìn)步。

事實(shí)上，作為一種重要且安全的核技術(shù)應(yīng)用裝置，除了“制造”黑洞，粒子加速器在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、環(huán)保、科學(xué)研究等多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。

在工業(yè)領(lǐng)域，粒子加速器已經(jīng)成為推進(jìn)新材料、新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備研發(fā)和應(yīng)用的重要工具和手段。例如，基于電子加速器開(kāi)發(fā)的輻照交聯(lián)、輻照聚合、輻照接枝等輻照加工技術(shù)可以改性高分子材料，并顯著提高材料的多項(xiàng)性能。而基于電子加速器可以產(chǎn)生γ射線、X射線的原理，科研人員開(kāi)發(fā)出工業(yè)CT等無(wú)損檢測(cè)裝置，它們?cè)诖_定材料、設(shè)備、產(chǎn)品材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、內(nèi)部缺陷和損傷中應(yīng)用突出。此外，基于重離子加速器開(kāi)發(fā)的離子摻雜技術(shù)是半導(dǎo)體工業(yè)中實(shí)現(xiàn)離子精準(zhǔn)注入、材料導(dǎo)電性改變、半導(dǎo)體芯片制造的關(guān)鍵技術(shù)。又如，基于粒子加速器原理制造的顯像管、陰極射線管是電子顯示器的核心部件;基于電子加速器開(kāi)發(fā)的輻照固化技術(shù)則在涂層、油墨、黏合劑固化、電子器件制造中應(yīng)用頗多;基于粒子加速器開(kāi)發(fā)的中子測(cè)井技術(shù)更在石油、天然氣、水資源勘測(cè)中不可或缺。

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，粒子加速器是癌癥與腫瘤治療中的關(guān)鍵和核心醫(yī)療設(shè)備。醫(yī)用直線加速器，又稱X刀或光子刀，可通過(guò)高能電子與大功率微波電場(chǎng)相互作用引出的能量電子打擊重金屬靶，并利用產(chǎn)生的X射線照射病灶，從而殺死腫瘤細(xì)胞?；卺t(yī)用質(zhì)子加速器的質(zhì)子治療技術(shù)，則是利用加速器形成的高能粒子束對(duì)病灶開(kāi)展精確照射的一種放射治療技術(shù)，其利用質(zhì)子入射時(shí)形成的特殊“布拉格峰”，可在殺死腫瘤細(xì)胞的同時(shí)不損傷正常細(xì)胞，代表了放療未來(lái)方向。同時(shí)，基于醫(yī)用重離子加速器的重離子治療技術(shù)也是一種可以與質(zhì)子治療技術(shù)比肩的腫瘤治療先進(jìn)技術(shù)，具有廣泛應(yīng)用空間。

在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，粒子加速器代表著三廢處理技術(shù)的重要發(fā)展方向?；陔娮蛹铀倨鞯碾娮邮椪仗幚韽U水技術(shù)，是一種利用高能電子束流輻射污水，使水中的污染物分解或降解、有害微生物發(fā)生變性等，以達(dá)到消毒凈化廢水為目的污水處理技術(shù)。同樣基于電子加速器的電子束輻照法脫硫脫硝技術(shù)，則在煙道氣脫硫脫硝、凈化空氣等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

除此之外，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，粒子加速器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于輻照育種、農(nóng)產(chǎn)品加工和害蟲(chóng)防治等領(lǐng)域，極大改變了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的面貌，創(chuàng)造了巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。在科學(xué)研究領(lǐng)域，粒子加速器則是研究粒子和原子核的重要工具。

目前，世界上運(yùn)轉(zhuǎn)的粒子加速器已經(jīng)達(dá)到了數(shù)萬(wàn)臺(tái)，它們?cè)诟餍懈鳂I(yè)、各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。未來(lái)，隨著新型加速器技術(shù)的研發(fā)和推廣，粒子加速器將會(huì)更加廣泛、深入應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、環(huán)保等領(lǐng)域，進(jìn)一步助推我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，為人類(lèi)生活生產(chǎn)帶來(lái)更多便利。