大型对撞机为什么只能给粒子提供有限的能量？

欧洲核子研究中心的大型强子对撞机是目前人类能量最高的加速器。这是一个环形加速器，周长达到了27千米，运行起来耗电功率可以达到200兆瓦，能够让两束正反质子加速到70000亿电子伏特后迎头相撞。

大型强子对撞机不论是消耗的能量还是给质子提供的能量，都已经足够惊人，可是由于一些限制，加速器内粒子的能量比宇宙射线中一些粒子的能量还是有多个数量级的差距。这是由于很多因素限制造成的。

如果把用来加速粒子的能量集中在几百、几十个粒子上，甚至两个粒子上，那效果肯定是惊人的。可是粒子的对撞截面实在是太小了，走完那么大的圈之后在那么小的地方发生碰撞，人类很难控制。目前对撞机已经能够将粒子束的宽度控制在纳米的数量级，却仍然比粒子的尺寸高出6个以上的数量级。要想获得更多的碰撞，只能增大流强，让更多的正反质子在对撞机内加速。欧洲的大型强子对撞机工作时的耗电功率就能赶上一个城市的耗电功率，若是建造更大的对撞机就需要消耗更多的能量。

环形对撞机有一个明显的劣势，它会因同步辐射损失能量，并且损失的能量与束流能量的四次方成正比。这使得环形对撞机不可能将粒子的能量大幅提高。要解决同步辐射损失能量的问题，可以将对撞机建的?直?一些，这是为什么要建周长更大对撞机的又一个原因。

即使是宇宙射线中的粒子，它的能量也会受到一定的限制。宇宙中充满微波背景辐射，当粒子的能量超过一定值后就会和宇宙微波背景的光子发生交互作用，使得粒子的能量降低。这就是GZK极限。人类的对撞机目前还不奢求让粒子的能量到达这个极限附近。