去年十月，当众议院投票决定削减德克萨斯州54英里长的超导超级对撞机资金时，它扼杀了原本将成为世界上最大的加速器——一种庞大的机器，旨在通过让亚原子粒子以接近光速在巨大的地下轨道上赛跑来研究它们的行为。失望的物理学界将注意力转向了目前的全球冠军，大型正负电子对撞机（LEP），它占据了瑞士日内瓦附近汝拉山脉下17英里的隧道。
尽管LEP的名字如此，但尺寸几乎是粒子加速器最不重要的属性。
根据加速器旨在解决的问题，许多更相关的标准使得其他机器比LEP更具优势。事实上，就在德克萨斯州的庞大项目接近尾声之际，弗吉尼亚州的加速器建造者正在对一个不比赛马场大的设备进行最后的润饰。它被称为连续电子束加速器设施（CEBAF），经过15年的规划和建设，终于在今年夏天投入使用。如果一切顺利，实验将在秋季开始。就原始力量而言，CEBAF比LEP弱25倍，但按另一个衡量标准，它强1000倍。这完全取决于你如何定义加速器的效能。
为了比较事物的价值，我们给它们分配数字：价格衡量经济价值；成绩衡量学业能力；直径衡量望远镜的功率（越大越好）；分辨率衡量显微镜的效率（越小越好）。事实上，在我们沉迷于数字的时代，通过数字进行评估的习惯已经根深蒂固，体育表现被简化为计算机排名，政治影响力被简化为支持率。但这种最离谱的过度简化，即试图通过一个名为智商的单一数字来捕捉像人类智力这样辉煌而复杂的事物，早在计算机时代到来之前就开始了。
一旦使用多个参数来计算价值，排名游戏就会崩溃。考虑学生排名。英语A显然比B好，但你怎么比较一个英语A数学B的学生和一个成绩相反的学生呢？大学橄榄球赛中谁是第一的争论源于简单的胜负记录无法区分不同联盟的球队，而关于科学设备相对优劣的争论在超过一个属性影响设备性能时就开始了。
只要事物的价值由单个数字表示，比较就简单明了。任何两个实数都可以通过“等于或大于”的关系“良好排序”。但是有一个深刻的数学定理，即你不能良好排序二维或更多维度空间中的点。例如，没有办法以某种方式标记正方形中的所有点，使它们可以按行排列并分配排名。同样，由多个数字测量的价值无法比较。
为了解决这个问题，人们发明了优值指标——将几个变量组合成一个变量的公式，用于评估。一个简单的例子是联合包裹服务公司使用的，它告知客户无法处理超过最大尺寸的包裹。你被告知将最短周长（称为周长）加到长度上，如果结果超过130英寸，则该包裹不可接受。就其本身而言，“周长加长度”的规定与将你的腰围加到身高上一样毫无意义，但它是为了以一种对UPS员工有用并允许立即分类奇形怪状包裹的方式组合各种测量值。同样，我们衡量脑力的标准——智商——如果它将直接测试分数与创造力商数、自信指数以及最重要的毅力程度结合成一个具有更强预测能力的优值指标，将会更有用。
核加速器通常根据其电压进行排名，电压决定了它们加速的粒子能量。这些评级像联邦赤字一样不断攀升：曾经以百万计，然后发展到数十亿，最近又达到数万亿。例如，CEBAF产生40亿伏特；LEP产生1000亿伏特；而SSC被设计为达到创纪录的40万亿伏特。
但能量并非一切。
就像显微镜需要不止分辨能力一样，加速器需要的也不止能量——两者都必须有强度。如果显微镜的照明太弱，图像就会太暗淡；如果加速器产生的有趣碰撞太少，就无法从中学习到任何东西。加速器的强度是通过它每秒推动的粒子数量来衡量的，或者，换句话说，是其束流中电流的流动。这反过来又只是电流，以安培为单位测量。即使加速器从数百万伏特攀升到数万亿伏特，它们的电流也增加了1000倍，从微安培到毫安培。
鉴于能量和强度都是比较加速器的有用参数，人们很自然地倾向于通过将其数值相乘来组合这两个参数，形成一个单一的优值系数。值得注意的是，所得乘积不仅有意义，而且等于每秒的能量输出，即功率，并以瓦特为单位测量。（一个从墙壁插座吸取半安培电流、电压为120伏的灯泡额定功率为60瓦。）功率是加速器的一切：从电网吸取的功率被泵入通过管道流动的带电粒子束中，功率由粒子束带入目标（一小块固体物质，或者在对撞机的情况下，是另一束粒子束），最后，功率被倾倒入一块水泥中，在那里它转化为废热。按这个标准，CEBAF的百万瓦输出功率比LEP产生的功率低一百倍。
但功率也并非一切。
由于技术原因，大多数加速器并不是以稳定的流束输送粒子，而是以短暂而强烈的脉冲形式，中间间隔着长时间的停顿。这种束流的集束结构让机器有时间冷却下来，并为新一轮的能量注入做好准备。束流开启的时间比例——一个脉冲的持续时间除以从一个脉冲开始到下一个脉冲开始的时间——被称为机器的占空比。LEP的脉冲持续时间是十亿分之一秒的二分之一，而脉冲之间的停顿时间相对较长，为十万分之一秒（以接近光速传播的脉冲长度为半英寸，间隔为两英里）。结果是，占空比仅为万分之五。对于某些类型的实验，如此低的占空比（使束流呈现频闪灯的效果）是一个严重的缺点，并限制了加速器的实用性。
低占空比引起的问题并非与加速器本身相关，而是与监测机器最初设计所进行实验的探测器相关。困难在于过度拥挤：探测器无法处理一次爆发中涌入的大量粒子，因此它们会漏掉或混淆来自不同碰撞的粒子。当然，这种信息过载有一个简单的解决方法——只需调低束流电流以避免交通堵塞。但这类似于调低显微镜下样品的光线，这将产生更暗的图像。
一个更好的解决方案是尽可能保持总加速粒子数量高，同时将粒子束分散到更大的长度和更长的持续时间——换句话说，在不改变电流的情况下增加占空比。当然，这将使加速器在粒子束之间没有时间冷却。然而，这正是CEBAF设计的关键，它将实现100%的占空比。正如机器名称所暗示的那样，其粒子束将是连续的，更像一个强大的探照灯，而不是频闪灯。
对高能量、高电流、高占空比加速器的需求核物理学家已经认识了几十年，但直到吉姆·麦卡锡（Jim McCarthy）出现，才有人能够建造出这样的机器。麦卡锡是弗吉尼亚大学夏洛茨维尔分校的物理学家，他在诺贝尔奖得主罗伯特·霍夫施塔特（Robert Hofstadter）手下获得博士学位，霍夫施塔特在20世纪50年代开创了利用电子束绘制原子核结构的技术。麦卡锡性格开朗，智商高，创造力强，自信指数也很高，他的个人精神价值因其惊人的毅力而提升到了令人印象深刻的水平。在世界各地旅行访问加速器时，他被低占空比的弊端所困扰，15年前，他发起了一场运动，旨在建造一台能够克服这个问题的新机器。
表面上看，他向那些必须为这些大型机器建设提供资金的机构——能源部成员——提出的建议听起来像是一个白日梦。加速器被认为是大型、复杂的项目，由东北部、西部和中西部强大研究型大学的专家承担，而不是由南方一位孤独的梦想家和几名研究生承担。然而，不久之后，麦卡锡的决心就被竞争对手注意到了。来自麻省理工学院、伊利诺伊大学、芝加哥附近的阿贡国家实验室和华盛顿国家标准局的物理学家小组，他们每个人都通过建造加速器赢得了声誉，开始游说他们自己的加速器设计。麦卡锡组建了一个由少数物理学家组成的团队——“基本上是业余爱好者”，他回忆道，在一个由专业人士主导的领域——并通过巧妙地利用世界上最好的专家建议来强化他的设计，这些建议在科学界传统上是随叫随到的。1983年4月，一个由13位知名物理学家组成的公正小组在华盛顿召开会议，评估能源部的五项竞争提案。令所有相关人员震惊的是，他们建议批准来自弗吉尼亚州的方案，这个赛马中的黑马，进行建设。
为了将他梦想中的机器（最终演变为现在的CEBAF）与世界各地种类繁多的粒子加速器区分开来，麦卡锡发明了一个新的优值系数。在能量、电流和功率方面，他设想的机器将远远低于现有和计划中的设备；即使高占空比本身以前也曾实现过，尽管只在最弱的加速器中。但是，如果你将电压乘以电流再乘以占空比（或者简单地将瓦特功率乘以占空比），你会得到一个没有物理意义但却能适当考虑高占空比重要性的数字。这看起来就像UPS用来区分笨重行李的公式一样牵强，但它同样有用。按照这个巧妙的优值系数衡量，CEBAF比世界上最大的机器LEP强一千倍。现在，公平地说，LEP的目的——就像SSC一样——是创造新型物质，这项任务需要不惜一切代价的超高能量，而CEBAF不适合这项任务。尽管如此，CEBAF的力量和强度与最大程度的毅力独特结合，赋予了它世界上无与伦比的效能。
这台在纽波特纽斯投入使用的机器是一座耗资5亿美元的高科技奇迹。其整体方案并非特别革命性：一股电子流，有点像电视显像管中的电子流，在地下隧道内的一根金属管中，在近乎完美的真空中循环，隧道可以容纳在一个七八英里长的赛马场下方。在两条长直段中的每一段，一个线性加速器提供相当于4亿伏特的向前推力。经过五次循环和十次加速后，电子束以40亿伏特的能量从管道中射出，并被引导至三个独立的实验厅之一，或在它们之间分配和共享。
该设计的新颖之处在于直线加速器的构造。每个直线加速器都由一系列闪亮的铌制空腔组成。这些空腔像足球一样大，但更扁平，它们沿着隧道的中心轴线彼此相连，就像一串珍珠。它们的壁沿着该轴线被穿孔，以便电子束可以一个接一个地穿过它们。在运行中，电流在空腔壁中来回涌动，在空腔内部产生强大的振荡电场。电子束中的电子被定时到达一个空腔，刚好在其电场指向正确的方向时将其加速到下一个空腔，有点像通过安装在轨道上方的一系列旋转桨轮将弹珠沿着槽道推动。电子沿着电能波向前冲刺，以不断增加的速度沿着隧道向下，直到它们以比绝对速度极限——光速——低百万分之一的百分比的速度呼啸而过。
使这个加速器独特的是它的腔体是超导的。事实上，CEBAF将是世界上第一个完全采用超导腔体建造的大型加速器。超导现象以前在加速器设计中也曾被利用。例如，SSC中的第一个S指的是德克萨斯州加速器打算使用的超导磁体，但这完全是同一个物理效应的不同且无关的应用。在CEBAF中，大多数磁体是正常的，而构成机器真正核心的320个腔体则浸泡在-456华氏度（刚好高于绝对零度）的液氦中，在那里铌对电流不产生任何电阻。这种电阻的缺乏反过来又阻止了腔体在工作时发热，消除了暂停让它们冷却的需要，从而将占空比从百分之几提高到百分之百。问题（低占空比）和解决方案（超导性）之间的完美匹配使CEBAF的设计成为工程师们喜欢称之为“甜蜜”的那种。
在加速器设计的早期，那些能够“看到”并理解粒子碰撞的探测器是信纸大小的照相底片或面包盒大小的盖革计数器，它们被认为是加速器完工后才开发的辅助小玩意。然而，近几十年来，探测器本身已发展成为复杂的设备，它们像房屋一样大，塞满了电子设备。在CEBAF，根据麦卡锡的优值标准，使加速器独一无二的相同标准也给探测器设计者带来了新的挑战。虽然LEP和其他实验室不得不应对捕获和计数高能量、或大量、或连续不断的电子的问题，但没有人必须处理CEBAF这些特性的特定组合。鉴于实验设备的新颖性，它的成本将达到加速器本身成本的很大一部分，并且其建设将需要数年时间，这并不令人惊讶。在CEBAF的三个主要探测器中，每个探测器都位于自己的拱形大厅中，只有一个——一个重达450吨的钢制巨兽，涂成深蓝色，其宏伟的体积隐藏着其精致的灵敏度和精妙——现在已经准备就绪；其他的计划在1995年和1996年投入使用。
同样，全球800名排队使用CEBAF的物理学家中，只有少数人有幸在今年秋天开始工作。他们将拥有的是，实际上，一个介于显微镜和气枪之间的工具，用于探测原子核。量子力学表明，电子根据实验装置的不同，表现得像波或像粒子，而CEBAF设法同时利用了这两种选择。
如果以波来解释，电子束就像光束，其解析精细细节的能力随能量增加而增强。事实上，电子加速器与电子显微镜非常相似。但是，尽管电子显微镜的电压足以制作病毒和大分子的图像，罗伯特·霍夫施塔特在20世纪50年代和60年代使用的加速器却强大到足以深入10万倍，探索原子核的形状。CEBAF代表了这一进展的又一步，将使物理学家能够获得原子核的X射线状图像，揭示其组成的质子和中子。
然而，与此同时，电子表现得像粒子。高能加速器曾将它们射向单个质子和中子，而它们出乎意料的猛烈反弹表明，这些靶标由通过胶子连接在一起的夸克组成。但迄今为止，夸克的证据几乎完全来自这些孤立的基本粒子，而不是来自原子核，原子核是振动中子和质子的密集簇。CEBAF旨在揭示夸克和胶子在原子核动态、复杂环境中的行为。
通过充当显微镜和气枪，CEBAF将聚焦于两种不同原子核观念的交汇点——较旧的观念是中子和质子像一堆橙子一样堆叠起来，而较新的观念是一个胶球，其中夸克像葡萄中的种子一样漂浮。虽然这两种观念在某些方面相互补充，但在另一些方面却相互冲突，而它们的和解是核物理学家在可预见的未来面临的主要挑战。
CEBAF实验的理论基础反映了原子核的双重性质。质子和中子理论已有60年历史，稳健、可靠且极其有用——但其数学基础却摇摇欲坠。它的实践者就像老商人，他们通过在信封背面和零散纸片上记账，诚实而有利可图地经营着自己的生意，但他们对专业会计方法一无所知，在压力更大的环境中会一败涂地。另一方面，夸克和胶子理论在数学上无懈可击，尽管其优美的方程只能在最简单的情况下求解；应用于整个原子核时，它们几乎复杂得令人绝望。CEBAF机制是一个崎岖的无人区，传统理论在此停止运作，而现代理论几乎无法解决。多年来，理论家和实验家将忙于绘制这一区域，他们最热切的希望是能够偶然发现一些全新的、意想不到的东西。加速器的历史给了他们充分的乐观理由。
最终，CEBAF的价值不能用其物理参数来衡量，而必须以人类的眼光来表达。投入其建造的智力能量，以及未来将流经其大厅的智力能量，是无法量化的。它将激发科学家和学生思想中的观念力量是无法衡量的。CEBAF将对科学以及社会文化和经济福祉做出的贡献之巨大，是无法计算的。任何衡量标准，无论设计得多么巧妙，都无法预测它将如何衡量。
