自加速器發明以來，為了讓粒子獲得更高的能量，大型化是其發展趨勢，以至於今天，歐洲大型強子對撞機創下了歷史紀錄。不過，未來的加速器也許不用造得那麼龐大了。
許多人都知道，當今世界上最大、最複雜的機器是位於瑞士日內瓦的歐洲大型強子對撞機。這個歐洲發達國家聯合制造的龐然大物，埋在周長27千米的地下隧道里，從設計到竣工耗時20多年，花費了近90億美元。
這臺機器是為了尋找一種叫“希格斯”的粒子而造的。理論家預言，希格斯粒子質量非常大，為了找到這種粒子，科學家不得不造這麼一臺大傢伙，把兩束質子加速到光速的99.9999991%（在這種情況下，質子的質量是其靜止質量的7000倍），然後讓它們迎頭碰撞。如果希格斯粒子存在，它就可能在碰撞產生的碎片中被找到。
強子對撞機已經建成投入使用快三年了，可至今還沒有找到新粒子。最近，還有不好的消息傳來：即使希格斯粒子存在，也可能已經超出大型強子對撞機所能達到的能量範圍之外……這意味著，要產生希格斯粒子，目前的這臺強子對撞機還嫌不夠大！
其實，不僅大型強子對撞機這樣的高能加速器，就是一些用於研究分子、原子的低能加速器，其體積也相當龐大，動輒佔據一幢建築。
那麼，加速器就不能造得小一點嗎？當初計算機剛造出來時，體積也非常龐大，現在卻微型化到可以拿在手上，為什麼加速器就不能呢？
這個夢想在以前幾乎是不可企及的，但近年來隨著一種叫等離子加速器的研製，讓人感到我們離實現這個夢想不太遙遠了。未來，一臺加速器也許一張檯球桌就可以擺得下。
加速器為何越造越大？
要想知道等離子加速器為何可以讓加速器小型化，我們需要先來了解一下為什麼傳統的加速器體積總是那麼龐大。
取兩塊金屬板，以一定的間距平行放置，通上電，在兩板之間就建立了均勻電場。如果在兩塊板上各挖一個能相互對準的小孔，讓一個帶正電的粒子從負極板的孔中射入，在電場作用下，它將運動得越來越快；當它從正極板的小孔飛出時，如果緊跟著又飛進另一個平行板電場，它將再次被加速……帶電粒子每次獲得的能量取決於兩平行板之間的電壓。
這就是傳統的直線加速器的工作原理。而為了節省材料和空間，我們還可以加一個磁場，讓粒子做圓周運動，然後一次次穿過兩塊金屬板之間的電場，每穿過一次，就被加速一次，於是這就成了迴旋加速器。
所以，要想讓粒子獲得更高的能量，把直線加速器造得儘可能長，迴旋加速器造得直徑儘可能大，似乎是不言而喻的。的確，加速器的發展就是這一趨勢的最好印證：差不多每隔10年，加速器的能量就提高近10倍，而體積也越造越龐大，最後終於有像歐洲大型強子對撞機這樣的巨無霸機器出籠了。歐洲大型強子對撞機是一臺迴旋型的加速器，質子要在其中繞行1700萬圈，相當於走過4.5億千米的路程，從最初的能量450GeV（1GeV=10億電子伏特）提高到7000GeV之後，才能引出來使用。
但其實能量並不是決定加速器龐大的唯一因素。在直線加速器的例子中我們看到，帶電粒子每次獲得的能量取決於兩塊平行板之間的電壓，如果我們把電壓提高10倍，粒子獲得的能量就相應地提高10倍；這個能量原先可能需要該粒子穿越10個同樣的平行板電場才能達到，而現在只需穿越1個平行板電場就能獲得；所以從理論說上，只要提高加速電場的電壓，在保證輸出粒子能量不變的前提下，加速器完全可以造得小些。
但問題恰恰就在於實踐中加速器的加速電壓不能設計得很高。還是以前面的平行板為例，如果兩板之間的電壓太高，電場強度太大，那麼金屬板中的自由電子就會被電場從金屬表面拽出來，射向正極板，跟正極板上的正電荷中和，電場就迅速下降了（這叫擊穿）。所以，為了避免被擊穿的命運，我們只好在安全電壓下，耐心一點一點給粒子加速，這樣一來，就導致了今天加速器越造越大的弊病。
給加速器“瘦身”
在傳統的加速器上，自由電子是一群專門搗亂的傢伙，而在新型的等離子加速器上，它們卻成了實現給粒子加速的生力軍。
等離子體是有別於固態、液態、氣態的第四類物質形態。不像空氣主要是由分子、原子等中性的粒子組成的，等離子氣是由帶正電的離子和大量自由電子組成的。通常，一個正離子所帶的電荷是一個自由電子的幾倍，但自由電子的數量反過來卻是正離子的幾倍，兩者扯平，等離子氣整體呈電中性狀態。
現在設想把一束脈衝電子射入等離子氣中。在前進途中，脈衝電子要跟等離子氣中的正離子和自由電子相互作用。由於正離子的質量通常要比電子大幾千倍，所以正離子基本上“巋然不動”，但那些自由電子卻被脈衝電子排斥到老遠。這樣，在脈衝電子瞬間所在的區域，正電荷的濃度要遠大於負電荷的濃度。這相當於脈衝電子“清掃”出一片沒有負電荷的“等離子泡泡”，這個泡泡整體帶正電。
這個“等離子泡泡”將隨著脈衝電子的運動而向前移動。在它的尾部，就像一艘快艇開過之後其尾部的水迅速合攏來一樣，那些被“等離子泡泡”排斥出去的自由電子，等泡泡“開過去”之後，在那些呆在原地不動的正離子的吸引下，迅速彙集。這樣一來，在“等離子泡泡”裡頭，彙集的是大量正離子，而在其尾部，彙集的卻是大量自由電子，一個帶正電，一個帶負電，在兩者之間，就形成了很強的電場。這個電場有多大？答案很驚人，最高甚至可以達到每米1000億伏特的量級，這是傳統的加速器望塵莫及的（假如傳統加速器上的電場能達到這個量級，那麼為了實現把質子加速到7000GeV的目標，我們只需造一臺不到10米的直線加速器就可以了）。假如這個時候，剛好射來一束有待加速的帶電粒子，在這個強大電場的作用下，就可以瞬間獲得很高的能量，而這也是我們的最終目的。
在上述的過程中，我們也可以用強激光脈衝代替電子脈衝，其原理基本上是一樣的。
這項技術最誘人之處在於，在一般只有幾個微米尺寸的“等離子泡泡”中，就可以產生非常高的電場，而且用不著像傳統加速器那樣擔心電壓一高就被擊穿。這樣一來，加速器的規模就可以極大地縮小了。
等離子加速器這些年來發展非常迅速。1980年代，科學家們用這項技術才把一些電子加速到千分之一GeV的量級，到了1990年代，他們已經能夠在1毫米的距離內把上百億個電子加速到0.1GeV了。
2007年，美國SLAC國家加速器實驗室的科學家創下了把電子加速到85GeV的紀錄。不過他們先在3千米的傳統直線加速器上給電子加速，使其達到42GeV，然後再引到只有幾米長的等離子加速器上加速，最後才達到這個紀錄的。但不管怎麼說，在等離子加速器上獲得43GeV的能量也算是創紀錄了。
雖然對於粒子物理學家來說，等離子加速器目前還遠遠達不到他們的要求，但對於從事分子、原子研究，只跟低能加速器打交道的科學家來說，等離子加速器目前的能量基本上已經能滿足他們的需要。新型加速器大概只有一手臂長，甚至可以攜帶在身。
其實，我們還可以沿用傳統加速器的辦法，讓粒子在一個等離子加速器中加速後，飛到下一個等離子加速器中繼續加速……這樣一來，就可以把粒子的能量加速到非常非常高，甚至連目前的大型強子對撞機也望塵莫及。
到那時候，煊赫一時的強子對撞機恐怕將不得不退出歷史舞臺了。
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