最近，楊振寧先生與科學院高能物理研究所王貽芳院士關于中國要不要建造大型粒子對撞機（CEPC）的爭論成為輿論場的熱門話題。
王貽芳認為，CEPC對于探索微觀世界的基本運動規(guī)律，比如研究希格斯粒子的性質，以及發(fā)現新的粒子，比如超對稱粒子，是至關重要的。同時可以使中國成為世界粒子物理研究的中心，使中國在加速器科學領域處于的領先地位。
楊振寧先生則認為高能物理“盛宴已過”，因為粒子物理學標準模型預言的粒子都已經全部找到。超出標準模型的粒子，比如超對稱粒子等，存在的可能性很小。由于CEPC耗資巨大，需要一千多億人民幣，國家沒有必要花這種代價做那種不切實際的項目。
然而楊振寧先生另外一個重要的建議卻被大家忽略，那就是“尋找新的加速器原理”。這句話什么意思呢？
現在的高能粒子同步回旋加速器有一個本質上的缺陷，被加速的粒子在其中運動時會產生強烈的電磁輻射，使粒子能量的增加受到嚴重的限制。電磁輻射的強度與粒子加速度的平方成正比，而加速度與加速器的半徑有關。半徑越大加速度越小，半徑越小加速度越大。為了減小輻射損耗，就需要把加速器的半徑做得很大。
比如歐洲核子研究中心的大型強子對撞機（LHC），半徑是4.3公里，周長27公里。王貽芳計劃的CEPC半徑約16公里，周長100公里。要建造這樣長的粒子真空運動管道，并用低溫超導磁體包圍，加上各種基礎設施和控制系統(tǒng)，其花費就非常巨大。
如果能夠找到新的加速器理論，大大降低被加速粒子的輻射，就可以把同步回旋加速器的半徑做得很小，建造費用大大減少的同時，也能把粒子加速到高能狀態(tài)。事實上，對于中國要不要建造大型粒子對撞機的問題，這可能是最好的解決方案。
可慶幸的是，福州原創(chuàng)物理研究所梅曉春所長和俞平博士，早在2012年就在加拿大《應用物理學研究》雜志上發(fā)表了一篇論文，題目是“帶電粒子在電磁場中的相對論運動穩(wěn)定性分析與建造無同步輻射損耗回旋加速器的可能性----繞核加速運動電子不輻射與導體內電阻熱輻射的統(tǒng)一機制”。
這篇文章從一個嶄新的角度闡明了被加速的帶電粒子輻射的物理本質，為建造新一代低輻射損耗的高能同步回旋加速器奠定了理論基礎，并給出一個具體的實施方案。
按照經典電磁理論，帶電粒子的輻射由加速度引起。該文首先指出，以下實驗事實與經典理論并不完全一致，被加速的帶電粒子輻射電磁波的物理機制需要重新考慮：
1. 帶電粒子做直線加速運動時一般不輻射。比如在高壓靜電加速器和直線加速器中運動的粒子一般不輻射。事實上，擬議中的國際直線加速器（ILC）就是根據這個事實進行設計的。
2. 在感應加速器中做加速運動的電子不輻射（布魯埃特實驗），只有在同步回旋加速器中做加速運動的帶電粒子才輻射。
3. 在一般交流電線路做直線加速運動的電子，和在直流電流線圈中做圓周加速運動的粒子不輻射（不包括熱輻射）。比如低溫超導實驗中，電流在環(huán)形金屬圈中穩(wěn)定流動，也沒有輻射電磁波。
4. 一般無線電天線必須滿足某種條件限制時，才會輻射電磁波。如果加大天線長度，或把彎曲的天線拉直，在其中做振蕩加速運動的電子就不再輻射。
5. 一個更為眾所周知的事實是，原子中繞核做加速運動的電子是不輻射的，這個原子物理學的最基本事實至今無法得到合理解釋。
關于第二點，在加速器的歷史上有一個廣為流傳的故事。
美國通用電器公司在紐約州申納塔底（Schenectady）有一臺能量為100MeV的電子感應加速器。1944年物理學家布魯埃特（J. Blewett）調試這臺設備時，希望能發(fā)現電子的輻射。布魯埃特用一個非常靈敏的探測器，探測波段從無線電超長波到超短波段。
按經典電磁理論，感應加速器中電子的運動速度已經接近光速，輻射的功率應該是相當大的。然而布魯埃特無論將探測器放在加速器的真空室內還是室外，始終未能探測到電磁波的幅射。
就在同一實驗室，波拉克于1947年建造了一臺70MeV電子同步回旋加速器。由于該加速器的真空室是透光的，在調試過程中工人卻無意中看到了透出的輻射光。這種被稱為同步輻射光的頻率是連續(xù)分布的，雖然主要在可見光波段，但從原則上說在無線電波段也應當存在輻射。
為什么布魯埃特當年在電子感應加速器上沒有發(fā)現輻射呢？至今似乎沒有人深究這個問題，雖然布魯埃特的加速器的能量比波拉克的加速器的能量還高30MeV。物理學家們只是解釋說布魯埃特探測器的探測頻率太低，同步輻射的頻率較高，布魯埃特的探測器探測不到。
然而電子感應加速器的加速原理與同步回旋加速器是不同的。在電子感應加速器中，除了磁場的作用外，沿著電子運動軌道的切線方向還同時存在由變化磁場導致的電場力的作用。
而在同步回旋加速器中，在軌道轉彎部分中運動的電子只受磁場力的作用，沒有電場力的作用。在這兩種情況下，電子受力的不同，是否會對其輻射產生影響呢？至今理論上沒有人進行研究，也沒有人做這種實驗。
布魯埃特當年在電子感應加速器上尋找輻射時，實驗室的其他工程師就告訴過他，電子在感應加速器中轉動就如直流電做圓周運動，是不會有輻射的。
當穩(wěn)恒電流通過直線導體時，電阻會發(fā)熱，甚至發(fā)紅光，發(fā)出光子。然而導體中的自由電子做直線勻速運動，似乎不必考慮加速度，也不存在原子能級的越遷。在目前的物理學中，電阻熱輻射的機理實際上也沒有弄清楚。
梅曉春和俞平的文章對帶電粒子在電磁場中的相對論運動方程進行研究，指出在均勻磁場中，帶電粒子的運動是穩(wěn)定的，就不會輻射的。在靜止的原子核力場中，電子的繞核運動是穩(wěn)定的，也可以不輻射，由此解釋了原子的穩(wěn)定性。
但如果存在某種擾動力，比如磁場不均勻等因素，使高速運動的電子偏離相對論運動軌道，電子的速度有可能變成虛數或超光速，使運動不可能發(fā)生的。在這種情況下，電子需要通過輻射來改變狀態(tài)，使運動成為可能。
因此梅曉春和俞平得出的結論是，加速度不是帶電粒子產生輻射的本質原因，相對論運動的不穩(wěn)定性才是帶電粒子產生輻射的真正原因。帶電粒子的輻射實際上是一種應變反應，由此產生輻射阻尼力，幫助粒子調整運動軌道。就像火箭發(fā)動機噴射氣體，幫助火箭調準姿態(tài)和運動軌道。
梅曉春和俞平還指出，穩(wěn)恒電流通過直線導體時，電阻會發(fā)熱發(fā)光，其微觀本質是韌致輻射。即電子接近晶格上的原子核時，原子核對其減速導致的輻射。
文章詳細討論了產生韌致輻射的條件，證明韌致輻射的本質是相對論效應。即原子核隨機熱運動干擾了電子的軌道，使電子不得不通過輻射來使其運動可以繼續(xù)。同時證明天線輻射的本質也是韌致輻射，天線末端的原子核使運動電子快速減速，導致電子輻射。
由此可以統(tǒng)一地解釋原子內繞核做加速運動的電子不輻射，以及導體內電阻熱輻射的微觀機制，它們都與電子在電磁場中相對論運動的穩(wěn)定性有關。
按照這種理解，帶電粒子在同步回旋加速器運動時，主要由于磁場的不均勻性，以及其他的干擾因素，會使粒子偏離圓周運動軌道，形成所謂的軌道橫向振蕩。現有高能粒子同步回旋加速器采用各種扇形磁鐵，比如直邊扇形、螺旋扇形和分離扇形磁鐵，產生的都是不均勻磁場。
再比如電子被注入回旋加速器時，角度的偏差也會產生對圓形軌道的偏差，如此等等。這些因素都會引起被加速粒子的束流軌道發(fā)生歧變，如圖1中的波浪形軌道。
這種軌道振蕩是同步回旋加速器中帶電粒子輻射的主要原因。當粒子的運動速度非常接近光速時，對軌道的微小偏離就可能使粒子的速度變成虛數或超過光速。粒子就不得不通過輻射來糾正運動狀態(tài)。而在直線加速器和感應加速器中，電子的相對論運動是可能的，電子一般不需要輻射。
圖1. 同步回旋加速器中電子的橫向振蕩軌道
實驗已經證明，在同步回旋加速器的圓形儲存環(huán)中，剛開始將粒子束注入時，由于橫向運動，粒子是分布在整個環(huán)形軌道的截面上，并且出現強烈的同步輻射。隨著同步輻射的減弱，橫向振蕩的幅度逐漸減小，粒子的運動軌道向中間的圓形軌道靠攏，變成穩(wěn)定的圓周運動。粒子束在儲存環(huán)中的橫向面積不斷減小，粒子束的亮度增加。
當粒子束的截面減小到一定的程度后，就不再輻射。此后再次將粒子注入儲存環(huán)，通過這種累計，使粒子束的密度大大提高。
如果按照現有的輻射理論，帶電粒子的輻射由加速度決定，粒子在儲存環(huán)中橫向振蕩幅度減小，沿標準圓周運動后，由于向心加速度不變，則仍然要大量輻射。因此粒子的軌道仍然是不穩(wěn)定的，最后都會與束流管壁碰撞而消失，帶電粒子就不可能在束流管中穩(wěn)定存在，或者說粒子不可能被儲存。
然而事實并非如此，同步回旋加速器的儲存環(huán)能夠儲存粒子，這個事實恰恰說明，粒子在加速器中沿標準圓周運動時是不輻射的。
因此只要消除干擾因素，使帶電粒子在同步回旋加速器中的相對論軌道運動達到穩(wěn)定，就有可能消除同步輻射，建造出低同步輻射甚至無同步輻射損耗的高能同步回旋加速器。在文章的最后部分，梅曉春和俞平提出這種新型同步回旋加速器的一個設計方案。
根據電磁學理論，兩條平行電流線的電流方向相同時會相互吸引，方向相反時會相互排斥。如圖2所示，設兩條電流線I1和l2的兩端固定，電流方向相同則吸引(b)，相反則排斥(a)。
圖2. 兩條電流線的吸引和排斥
在圖3中，兩條電流線固定，電流方向和大小相等。在它們的中間有一個電子沿平行方向運動，可以看成電流Ie。如果電子的運動軌道偏離了中線，兩條電流線I就對Ie形成合力，使它回到中線的平衡位置。
圖3. 兩條固定電流線對運動帶電粒子的作用
按照以上原理，就可以對現有的中小型回旋加速器進行改造，使之變成低輻射損耗，甚至無輻射損耗的高能粒子回旋加速器。
圖4是這種同步回旋加速器粒子束流管的截面圖，沿管壁圓周布置與管道壁平行的直流電流線，被加速的電子e在管道中心沿與紙面垂直的方向運動。圖5則是同步回旋加速器的平面俯視圖，沿管道圓環(huán)的內外壁布置電流線，電流強度為I。在束流管中間位置上的被加速帶電粒子流也可以看成是一條電流線，被夾在兩條電流線中間，電流強度為Ie。
圖4. 低輻射損耗同步回旋加速器粒子束流管內平衡電流線分布截面圖
圖5則是同步回旋加速器的平面俯視圖，沿管道圓環(huán)的內外壁布置電流線，電流強度為I。在束流管中間位置上的被加速帶電粒子流也可以看成是一條電流線，被夾在兩條電流線中間，電流強度為Ie。
圖5. 低輻射損耗同步回旋加速器粒子束流管平衡電流線分布平面圖
因此在圖4中間點上沿垂直于紙面方向運動的帶電粒子，就會受到上下左右各個不同方向的作用力Fe的作用。如果該粒子偏離了中間點的位置，運動的平衡被打破，上下左右的電流線就會產生一個合力，把粒子拉回到中間點，最終達到平衡穩(wěn)定的運動。
計算表明，對于圓周半徑為100米的加速器，設粒子束管的半徑是0.1米，只需管內電流線的電流強度為8.5安培，就可以使Fe與磁場約束力Fb一樣大，這是一個很容易實現的指標。
通過這種方式，就可以對被加速粒子的運動進行微調，減小被加速粒子在圓周軌道附近的振蕩運動，使帶電粒子在同步回旋加速器中沿標準圓周做加速運動。由此就可以制造出小型化的，低輻射損耗的，甚至基本不輻射的高能同步回旋加速器。
梅曉春和俞平論文中文版《帶電粒子在電磁場中的相對論運動穩(wěn)定性分析與建造無同步輻射損耗回旋加速器的可能性——繞核加速運動電子不輻射與導體內電阻熱輻射的統(tǒng)一機制》見以下鏈接：
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