自加速器发明以来，为了让粒子获得更高的能量，大型化是其发展趋势，以至于今天，欧洲大型强子对撞机创下了历史纪录。不过，未来的加速器也许不用造得那么庞大了。
许多人都知道，当今世界上最大、最复杂的机器是位于瑞士日内瓦的欧洲大型强子对撞机。这个欧洲发达国家联合制造的庞然大物，埋在周长27千米的地下隧道里，从设计到竣工耗时20多年，花费了近90亿美元。
这台机器是为了寻找一种叫“希格斯”的粒子而造的。理论家预言，希格斯粒子质量非常大，为了找到这种粒子，科学家不得不造这么一台大家伙，把两束质子加速到光速的99.9999991%（在这种情况下，质子的质量是其静止质量的7000倍），然后让它们迎头碰撞。如果希格斯粒子存在，它就可能在碰撞产生的碎片中被找到。
强子对撞机已经建成投入使用快三年了，可至今还没有找到新粒子。最近，还有不好的消息传来：即使希格斯粒子存在，也可能已经超出大型强子对撞机所能达到的能量范围之外……这意味着，要产生希格斯粒子，目前的这台强子对撞机还嫌不够大！
其实，不仅大型强子对撞机这样的高能加速器，就是一些用于研究分子、原子的低能加速器，其体积也相当庞大，动辄占据一幢建筑。
那么，加速器就不能造得小一点吗？当初计算机刚造出来时，体积也非常庞大，现在却微型化到可以拿在手上，为什么加速器就不能呢？
这个梦想在以前几乎是不可企及的，但近年来随着一种叫等离子加速器的研制，让人感到我们离实现这个梦想不太遥远了。未来，一台加速器也许一张台球桌就可以摆得下。
加速器为何越造越大？
要想知道等离子加速器为何可以让加速器小型化，我们需要先来了解一下为什么传统的加速器体积总是那么庞大。
取两块金属板，以一定的间距平行放置，通上电，在两板之间就建立了均匀电场。如果在两块板上各挖一个能相互对准的小孔，让一个带正电的粒子从负极板的孔中射入，在电场作用下，它将运动得越来越快；当它从正极板的小孔飞出时，如果紧跟着又飞进另一个平行板电场，它将再次被加速……带电粒子每次获得的能量取决于两平行板之间的电压。
这就是传统的直线加速器的工作原理。而为了节省材料和空间，我们还可以加一个磁场，让粒子做圆周运动，然后一次次穿过两块金属板之间的电场，每穿过一次，就被加速一次，于是这就成了回旋加速器。
所以，要想让粒子获得更高的能量，把直线加速器造得尽可能长，回旋加速器造得直径尽可能大，似乎是不言而喻的。的确，加速器的发展就是这一趋势的最好印证：差不多每隔10年，加速器的能量就提高近10倍，而体积也越造越庞大，最后终于有像欧洲大型强子对撞机这样的巨无霸机器出笼了。欧洲大型强子对撞机是一台回旋型的加速器，质子要在其中绕行1700万圈，相当于走过4.5亿千米的路程，从最初的能量450GeV（1GeV=10亿电子伏特）提高到7000GeV之后，才能引出来使用。
但其实能量并不是决定加速器庞大的唯一因素。在直线加速器的例子中我们看到，带电粒子每次获得的能量取决于两块平行板之间的电压，如果我们把电压提高10倍，粒子获得的能量就相应地提高10倍；这个能量原先可能需要该粒子穿越10个同样的平行板电场才能达到，而现在只需穿越1个平行板电场就能获得；所以从理论说上，只要提高加速电场的电压，在保证输出粒子能量不变的前提下，加速器完全可以造得小些。
但问题恰恰就在于实践中加速器的加速电压不能设计得很高。还是以前面的平行板为例，如果两板之间的电压太高，电场强度太大，那么金属板中的自由电子就会被电场从金属表面拽出来，射向正极板，跟正极板上的正电荷中和，电场就迅速下降了（这叫击穿）。所以，为了避免被击穿的命运，我们只好在安全电压下，耐心一点一点给粒子加速，这样一来，就导致了今天加速器越造越大的弊病。
给加速器“瘦身”
在传统的加速器上，自由电子是一群专门捣乱的家伙，而在新型的等离子加速器上，它们却成了实现给粒子加速的生力军。
等离子体是有别于固态、液态、气态的第四类物质形态。不像空气主要是由分子、原子等中性的粒子组成的，等离子气是由带正电的离子和大量自由电子组成的。通常，一个正离子所带的电荷是一个自由电子的几倍，但自由电子的数量反过来却是正离子的几倍，两者扯平，等离子气整体呈电中性状态。
现在设想把一束脉冲电子射入等离子气中。在前进途中，脉冲电子要跟等离子气中的正离子和自由电子相互作用。由于正离子的质量通常要比电子大几千倍，所以正离子基本上“岿然不动”，但那些自由电子却被脉冲电子排斥到老远。这样，在脉冲电子瞬间所在的区域，正电荷的浓度要远大于负电荷的浓度。这相当于脉冲电子“清扫”出一片没有负电荷的“等离子泡泡”，这个泡泡整体带正电。
这个“等离子泡泡”将随着脉冲电子的运动而向前移动。在它的尾部，就像一艘快艇开过之后其尾部的水迅速合拢来一样，那些被“等离子泡泡”排斥出去的自由电子，等泡泡“开过去”之后，在那些呆在原地不动的正离子的吸引下，迅速汇集。这样一来，在“等离子泡泡”里头，汇集的是大量正离子，而在其尾部，汇集的却是大量自由电子，一个带正电，一个带负电，在两者之间，就形成了很强的电场。这个电场有多大？答案很惊人，最高甚至可以达到每米1000亿伏特的量级，这是传统的加速器望尘莫及的（假如传统加速器上的电场能达到这个量级，那么为了实现把质子加速到7000GeV的目标，我们只需造一台不到10米的直线加速器就可以了）。假如这个时候，刚好射来一束有待加速的带电粒子，在这个强大电场的作用下，就可以瞬间获得很高的能量，而这也是我们的最终目的。
在上述的过程中，我们也可以用强激光脉冲代替电子脉冲，其原理基本上是一样的。
这项技术最诱人之处在于，在一般只有几个微米尺寸的“等离子泡泡”中，就可以产生非常高的电场，而且用不着像传统加速器那样担心电压一高就被击穿。这样一来，加速器的规模就可以极大地缩小了。
等离子加速器这些年来发展非常迅速。1980年代，科学家们用这项技术才把一些电子加速到千分之一GeV的量级，到了1990年代，他们已经能够在1毫米的距离内把上百亿个电子加速到0.1GeV了。
2007年，美国SLAC国家加速器实验室的科学家创下了把电子加速到85GeV的纪录。不过他们先在3千米的传统直线加速器上给电子加速，使其达到42GeV，然后再引到只有几米长的等离子加速器上加速，最后才达到这个纪录的。但不管怎么说，在等离子加速器上获得43GeV的能量也算是创纪录了。
虽然对于粒子物理学家来说，等离子加速器目前还远远达不到他们的要求，但对于从事分子、原子研究，只跟低能加速器打交道的科学家来说，等离子加速器目前的能量基本上已经能满足他们的需要。新型加速器大概只有一手臂长，甚至可以携带在身。
其实，我们还可以沿用传统加速器的办法，让粒子在一个等离子加速器中加速后，飞到下一个等离子加速器中继续加速……这样一来，就可以把粒子的能量加速到非常非常高，甚至连目前的大型强子对撞机也望尘莫及。
到那时候，煊赫一时的强子对撞机恐怕将不得不退出历史舞台了。
