進(jìn)行粒子物理研究的方法有很多，但最常見的方法是將粒子加速到非常高的能量。但接下來的問題是如何處理它們？一般情況下，我們有兩種選擇：可以將這一束高速粒子撞擊到一個固定目標(biāo)上，或者我們可以制造兩個反向運(yùn)動的粒子束并讓它們正面碰撞。

這兩種不同的方法各有其用處，那么我們什么時候使用固定目標(biāo)，什么時候使用對撞模式呢？這就需要我們知道這兩種選擇的優(yōu)缺點(diǎn)。

科學(xué)家在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時必須考慮兩個重要參數(shù)：一個是粒子的能量，另一個是粒子的數(shù)量。為了簡單起見，我們就將第一個重要參數(shù)稱為能量，第二個重要參數(shù)稱為光度。好的粒子加速器同時具有高能量與高光度，但有時我們要做出妥協(xié)，更側(cè)重于其中一個。那么它們兩個重要參數(shù)有什么好處呢？

能量是最容易理解的，根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程E=mc2，我們知道能量和質(zhì)量是等效的。這意味著要制造更高質(zhì)量的粒子，需要使用非常高的能量束。能量還有第二個原因。事實(shí)證明，如果你想看到某些東西，你需要使用比被檢查物體波長更短的光。1924年，法國物理學(xué)家路易斯·德布羅意假設(shè)所有粒子都有波動，粒子的能量越高，波長越短。因此，更高能量的加速器可以讓你看到更小的事物。現(xiàn)代粒子加速器的目標(biāo)之一是看看夸克和輕子是否由更小的物體組成，這就是能量很重要的原因。

那么，我們?nèi)绾卫斫夤舛鹊淖饔媚兀恳斫膺@一點(diǎn)，需要一點(diǎn)量子力學(xué)的規(guī)則。在量子力學(xué)中，那些被認(rèn)為不可能的事件實(shí)際可能會發(fā)生，但是極其罕見。如果我們正在尋找這些稀有的東西并且碰撞單個粒子，那么很有可能我們是找不到它們的。但是，如果我們增加上萬億個粒子，我們就提高了發(fā)現(xiàn)罕見事件的機(jī)會。

我們已經(jīng)知道了能量和光度是多么重要，那么固定目標(biāo)和對撞模式對這兩個重要參數(shù)有何偏好呢？我們直接給出答案：對撞模式會產(chǎn)生更大的能量，而固定目標(biāo)會產(chǎn)生更多的碰撞。

大量的碰撞更容易被我們看到，所以我們先對光度進(jìn)行討論。在對撞機(jī)中，我們讓一束粒子與另一束粒子對撞。現(xiàn)在一束粒子可能有10^11個粒子，也就是1000億個，兩束粒子就有2000億個粒子，但能發(fā)生碰撞的只是其中一部分。

但如果你把一束粒子射進(jìn)一個固定的目標(biāo)，情況就大不一樣了。一束粒子的數(shù)量是相同的，但目標(biāo)是固體，這意味著它含有大量的粒子。我們舉個例子，一立方厘米的水含有大約10^24個粒子。目標(biāo)粒子如此之多，發(fā)生碰撞的可能性就會大大增加。

對撞機(jī)的能量優(yōu)勢有點(diǎn)難以看到，但我們可以想象一下一些車禍場景。首先是追尾的情況，兩車碰撞的能量不會全部轉(zhuǎn)化為材料的變形，有一部分能量被轉(zhuǎn)移到前車的動能了。其次是輛車對撞的情況，如果它們的大小相同并且速度大小相同，它們就會完全停止，此時碰撞的所有的能量都會造成材料的變形。

同樣的道理，我們回到大型強(qiáng)子對撞機(jī)的質(zhì)子束。在一般情況下，質(zhì)子將具有7萬億電子伏特的能量，如果兩束質(zhì)子束相互碰撞，可用于研究的能量將高達(dá)14萬億電子伏特。但如果我們只是將質(zhì)子束與靜止目標(biāo)碰撞，有用的能量不會是7萬億電子伏特，而是只有大約0.114 萬億電子伏特。

它們的差異如此之大，所以為了獲得更高的能量，顯然對撞才是正確的出路。但為了獲得更高的光度，它們必須以令人難以置信的精確度進(jìn)行瞄準(zhǔn)。放大到我們更熟悉的尺寸，它所需要的精確度就像你拿兩根普通縫紉針，將它們分開十公里，然后射向彼此并在中間碰撞，這是非常困難的。相比之下，在固定目標(biāo)中，更像是在墻上射飛鏢。如果你實(shí)在射不準(zhǔn)，建一個更大的墻就行了。

這就是固定目標(biāo)和對撞模式之間的區(qū)別：固定目標(biāo)更容易實(shí)現(xiàn)，并且可以產(chǎn)生大量碰撞。對撞模式實(shí)行起來要困難得多，但如果你想制造新的、未被發(fā)現(xiàn)的粒子，這就是你要選擇的。