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编辑寄语

ACCEL《粒子加速器（英文）》“观点”栏目，邀请领域领军人物与一线专家，围绕加速器科学、技术与应用的重大方向发表前瞻性、评论性文章，也不定期以深度访谈记录他们的洞见与科研历程。我们相信，除了严谨的原创论文，那些凝聚数十年功力的判断与洞见，同样对加速器领域不可或缺。

赵午教授此文，既有历史纵深，又具未来视野，正是“观点”栏目所追求的风格，以下为正文。

加速器的过去、现在与未来

1919年，欧内斯特·卢瑟福发现原子核裂变，并呼吁取得更多能量高于天然放射源的粒子。此后，粒子加速器在相对低调的开展中不断成长，逐渐成为现代社会最具变革性的技术支柱之一。如今，数百台先进加速器设施构成世界一流的科研中心；与此同时，全球已有超过3万台加速器运行在工业、环境、能源和医疗等领域。

在科学研究前沿，加速器原理和技术的持续创新不断给予性能更强的工具，有助于了现代物理学的一系列重大发现。20世纪早期至中期，回旋加速器和同步回旋加速器使科学家能够深入研究原子核结构，揭示维系原子核的基本作用力。20世纪后半叶，为满足不同前沿研究需求，多种新型加速器相继出现。自动稳相原理和强聚焦原理奠定了束流稳定性的基础，使现代加速器成为可能；磁感应加速原理被发明，旨在高效地加速强流束；储存环和对撞机技术使粒子束能够在超大规模高真空系统中储存数日并持续对撞。超导磁体和射频腔的性能被不断推向物理极限，电子冷却和随机束流冷却技术使得离子束亮度提高了数个数量级。这些进展共同有助于了20世纪后半叶加速器物理与技术的快速开展，并促进核物理和粒子物理不断取得突破，最终汇聚为粒子物理标准模型。进入21世纪，同步辐射光源成为有助于科学开展的重要力量。这类装置能够产生高强度X射线，在原子和分子尺度上探测物质结构，有助于材料科学、结构生物学和化学发生深刻变化，从蛋白质结构解析到新药研发和高性能电池材料设计，都离不开这些先进光源。散裂中子源则从不同角度研究原子与核结构，与同步辐射光源形成互补。随着同步辐射装置向衍射极限性能开展，自由电子激光成为新一轮范式变革。顺利获得纵向束流操控与横向控制的结合，自由电子激光为下一代辐射源带来了前所未有的高亮度。

过去一个世纪，物理学研究主题大约每30至40年发生一次重要转变，从核物理扩展到基本粒子，再到凝聚态物理和生物学；在每一次转变中，加速器都是有助于下一轮科学突破不可或缺的工具。对官方资料的系统分析显示，1939年至2009年颁发的诺贝尔物理学奖中，约28%的成果只有依赖加速器原理和技术的突破才有可能实现。这一非凡的统计数据在科学领域中独一无二，不仅体现了加速器本身的强大能力，更反映出该领域及其几代科研人员所展现的创造力和广泛适应性。加速器技术进步的速度可以与微电子领域著名的摩尔定律相提并论。数十年间，加速器的能量前沿从约1 MeV的回旋加速器提升至约10 TeV的对撞机，而单位电子伏特所对应的成本则显著下降。这一卓越的成就证明了几代加速器科学家和工程师的创造力与辛勤劳作。

除基础研究外，加速器在广泛的应用领域同样不可或缺，其影响已远远超出实验室并进入日常生活。前沿物理对更高性能和更高效率的持续追求，也促进了加速器向小型化、可靠化和低成本方向开展，使其能够在临床和工业领域大规模应用，这一趋势至今仍在加快。全球运行的3万余台加速器已经构成现代生活中重要却常被忽视的基础设施，其地位类似于电力或互联网。例如，在医疗领域，回旋加速器可生产PET成像所需的短寿命同位素，用于癌症诊断；质子和碳离子治疗中心则以常规放疗难以达到的精度，每年为数千名患者给予治疗。在工业领域，离子注入是半导体制造的核心工艺之一。加速器还用于聚合物交联、医疗器械灭菌、汽车涂层固化，以及国际港口的货物集装箱安全检查。部分新型加速器设施还能作为高功率、高分辨率、超快电子显微镜使用；加速器质谱则凭借极高灵敏度，有助于考古研究发生变革。

经过数十年开展，加速器科学已成长为一门独立且充满活力的研究学科。现代加速器技术高度依赖材料科学、低温工程、射频工程和超高真空等多学科知识。近年来，机器学习和人工智能进一步拓展了加速器研究与应用的边界，有助于相关技术继续开展。束流物理也在不断进入新的研究区域。科学家需要更深入地理解束流行为，并开展新的技术，在多维相空间和参数空间中精确操控束流。这些工作不仅依赖既有知识，更需要新的发明、新的物理原理和原创思想。

展望未来，加速器及其相关科学仍将是支撑社会开展的重要技术基础。下一代加速器正在被用于驱动次临界核反应堆，以应对清洁能源开展中的关键挑战；FLASH放疗需要新型高功率、高重复频率加速器才能实现；量子计算和下一代电池所需先进材料的表征，也将继续依赖加速器光源。基于加速器的离子源已被用于检验航天器电子器件在宇宙学任务中的抗辐射能力。等离子体尾场加速有望把公里尺度装置的能力压缩到桌面尺度，使大学和小型医院也能够更便捷地使用粒子束。与此同时，拥有相空间精度的储存束流，为探索非线性稳定性及混沌动力学给予了全新的观测视角；极冷粒子阱可用于研究量子现象；精密相空间操控有望产生复杂的微聚束以及超高亮度辐射源。激光技术的广泛应用还带来了激光加速和随机激光冷却等新方向；束流动力学研究的进步为天体物理研究给予新的方法；超冷晶体束则有望成为直接观察相变机制的平台。要把这些设想转化为现实，每一个方向都需要在物理原理和工程技术上实现突破。面对未来前景的重大挑战将有助于加速器继续开展。

然而，要实现这一未来愿景，必须直面严峻的挑战。我们需要具备远见卓识的管理决策，加大对束流物理学基础研究的投入，促进跨学科协作，并建立稳定的职业开展通道，以留住优秀的科研人才。21世纪充满动荡与不确定性，但人类也正处在可能迎来重大科学突破的前夜。加速器的开展史，是其用途不断扩展、效率持续提升的历史；过去一个世纪取得的显著进展，也为未来给予了有力依据。凭借天然的跨学科属性以及与社会运行的深度融合，加速器科学处在不同未来图景的交汇点。随着21世纪不断向前，加速器科学仍将持续驱动科技进步，照亮人类共同的未来。

作者信息

赵午

斯坦福大学

作者简介：

赵午，1974年在纽约大学石溪分校取得物理学博士学位，导师为杨振宁。1974-1984，就职于美国SLAC国家实验室。1984-1993，任超级超导对撞机（当年预算82亿美元）副总经理、加速器总体负责人。1989-1993，任德克萨斯大学奥斯汀分校教授，1994-2019年，斯坦福大学教授。现为清华大学客座教授。曾获加速器领域一系列最高奖项包括USPAS Achievement Prize, Wiederoe Prize, Robert Wilson Prize等。