1820年，奧斯特在丹麥哥本哈根大學，向一班高年級學生進行了電學實驗演示，他使用早期的電池原型，想看看電流對指南針會有什么影響，由于奧斯特事先沒有時間測試實驗，所以結果對奧斯特和他的學生來說都是未知的，當奧斯特通過在電池兩端接上一根電線來完成閉合電路時，產(chǎn)生的電流使指南針的指針與電線排成一條線，這表明電和磁是同一現(xiàn)象的兩個方面。
在促使電流得以產(chǎn)生的進程之中，奧斯特德創(chuàng)制出了一種具備臨時性特質(zhì)的磁鐵，也就是電磁鐵。物理學家持續(xù)不斷地為自身開展的實驗去研發(fā)電磁鐵，直至今日，電磁鐵廣泛存在于諸多領域：像是MRI掃描儀、揚聲器、變壓器、電動馬達以及粒子加速器當中。當亞原子粒子束按照靠近乃至仿佛臨近于光速的速率發(fā)射出去之際，加速器磁鐵會對光束起到彎曲以及塑形的作用。物理學家精心設計了種類繁多的磁鐵，通過這般方式便能夠依照所期望的形式去使用光束，進而產(chǎn)生出他們所期望達成的物理成效。
加速器磁鐵是如何工作的？
帶電粒子，像質(zhì)子以及電子，其運動能夠產(chǎn)生磁場，同樣，磁場也會對帶電粒子的運動造成影響，這便是奧斯特德在200年前試驗所揭示的關系，后來科學家們著手進行定義，電與磁是一枚硬幣的兩面，這是人類用以改變世界的一種現(xiàn)象，為你觀看本文所使用的手機設備供電的電網(wǎng)源于對磁電關系的理解，粒子物理學家已經(jīng)借助電磁學來探尋我們宇宙的起源。
它的辦法是操控加速器里頭的粒子束，把它們撞擊至一個目標之上，進而產(chǎn)生更多粒子以供科學家開展研究。借由經(jīng)由線圈傳導電流，加速器專家打造出一種具備北極與南極的電磁鐵。這些纏繞起來的導線構成了加速器所運用的電磁鐵極點。它們不但能夠排列成兩極電磁鐵，而且能夠排列成四極、六極乃至更多極的磁鐵。然而這些跟家用磁鐵不一樣，加速器磁鐵能夠和一輛皮卡一樣長甚至還要更長。
1. 同時它還能夠重達數(shù)噸，一般而言建造每一個都得要幾個月的時間。 2. 不管制造加速器磁鐵所采用的材料是怎樣的，加速器磁鐵都能夠依據(jù)它們的極數(shù)來進行分類。 3. 絕大多數(shù)來自四種類型：偶極磁鐵會使光束彎曲，四極能聚焦光束，六極可糾正四極的不完美聚焦，八極有助于提升存儲的粒子束的穩(wěn)定性。 4. 以加速器術語來講，這些便是科學家們用以操縱這些發(fā)現(xiàn)引擎中光束的不同磁性“多極” 。
偶極子轉(zhuǎn)向光束
偶極子最常見的構成是由兩根分開的線圈，它們的北極與南極彼此相對，當電流流經(jīng)線圈時，會在兩極之間的間隙里形成單向磁場。加速器科學家以及工程師能夠借助這個磁場令帶電粒子束沿著曲線彎折。簡單來講，偶極子是使光束抵達它們要去之處的主要途徑。要是你恰好騎在一個質(zhì)子上，朝著一個指向下方的磁場徑直前行，你和質(zhì)子會以與磁鐵磁場強度成比例的量向左移 動。
（如上圖所展示的那樣），當帶有正電的粒子進入到偶極磁鐵磁場之中，并且通過該磁場的時候，其會朝著左邊發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而這種偏轉(zhuǎn)的角度與磁鐵所施加的力呈現(xiàn)出成正比的關系。圖片：
磁場強度越大，向左拉扯你以及質(zhì)子的那種感覺也就是力就會越強奧斯特實驗視頻，對于垂直方向的磁場來說，所畫出的路徑是水平的圓弧。偶極磁鐵常常被用于彎曲粒子束，比如說在圓形加速器當中，多個偶極磁鐵順著束流路徑排列成一排。粒子束逐個通過，每一次通過都會在一個方向上被輕輕推動，如此一來它就會沿著曲線行進。快速作用偶極子同樣能夠用來把粒子束“踢”進或者踢出圓形加速器的主光束。
四極磁鐵聚焦光束
單向力施加的磁鐵，能很好地讓粒子束朝著特定方向彎曲，然而卻無法維持粒子束的形狀。要是把光束置于偶極子內(nèi)，任其自行其道，它便會瓦解。粒子束如同氣體分子集合那般，存在溫度，這種隨機能量會致使粒子在加速器里自然漂移。倘若未將粒子束聚攏回來，那它們就會撞擊到正在循環(huán)的真空管壁上。所以，科學家運用四極磁鐵去重新聚焦這些任性的粒子，把它們帶回折疊狀態(tài)。
存在一種四極磁體，其如上圖所呈現(xiàn)的樣子，在粒子加速器里，要是粒子偏離集中束太過遙遠，那么極就會把粒子推至一起。四極聚焦僅在一個平面之上，因而為了從兩側(cè)對加速器光束進行擠壓，這些磁鐵通常是一個挨著一個地堆疊起來的，并且每個磁鐵都相對于前一個旋轉(zhuǎn)九十度。借由這種方式，束流粒子在穿過連續(xù)的磁鐵之際會在兩個方向上被推到一起。圖片：
按照名稱的含義來說，四極桿存在著四個交替出現(xiàn)的極，這些極能夠產(chǎn)生出一種特別的磁場，借助該磁場可以把粒子再次聚集到一起，其原理如同透鏡能夠把光線彎曲至一個點上那般。單個的四極桿會把一束光束聚焦于一個平面之上，舉例來講，當四極桿穿過加速器的時候，它能夠?qū)⒐馐膬蓚?cè)朝著內(nèi)部擠壓，然而，類似于Play - Doh塊在兩邊被擠壓到一起時的那種反應方式，光束會朝著另外一個方向產(chǎn)生散焦現(xiàn)象。解決這個問題的辦法是把多個方向交替的四極桿串聯(lián)在一起，讓光束穿過其中的一個，從而在水平方向上受到擠壓 。
接著它穿過下一個，于垂直方向遭擠壓，伴隨每一回連續(xù)擠壓，它會變得聚焦。凈效應是一束穩(wěn)定粒子束，它們繞加速器旋轉(zhuǎn)時，來回嘎嘎作響。同樣，四極桿可使光束散焦，粒子通過加速器時，有時光束密實程度稍低些更好，借此降低粒子相互干擾可能性。光束通過磁場強度較弱四極桿時，能先在上下方向展開，接著在左右方向展開，依此類推，直至被恰當散焦。
六極磁鐵校正
好似偶極磁鐵能讓光束彎折，然而卻無法維持聚焦那般，四極磁鐵能夠使粒子聚焦，不過并非全都聚焦于同一位置，緣由是構成光束的粒子能量存在些許差異。令人遺憾的是，針對所有的光束能量，四極磁體的表現(xiàn)并非全然相同，相較于低能粒子，高能粒子受四極磁場的作用較小。其結果便是，高能粒子和低能粒子順著光束路徑聚焦于不同的點上，這跟水滴彎折不同顏色的光得以產(chǎn)生令人贊嘆的彩虹情形相類似， 。
于四極磁體里，這般“色差”會致使粒子于加速器內(nèi)來回反彈的速度存有差異，此現(xiàn)象被加速器科學家稱作色度。在諸多情形下，為了能看到期望的物理效果，必須對色度予以校正，因而科學家們運用六極桿來達成這一目的。當于加速器中正確放置時，這些六極磁鐵會促使較高能量的粒子再度與光束的其余部分對齊。
八極磁體提高穩(wěn)定性
有時候，我們會碰到這般情景：你正走在走廊之上，此時有人從拐角處轉(zhuǎn)出來，徑直走到你跟前，你們二人先是朝著同一個方向挪動，接著又轉(zhuǎn)向另一個方向移動，隨后再折返，竭力避免相互碰撞，這般相遇好像會持續(xù)好長一段時間。難以超越他人，是因為有著相似的移動速率所致。要是有一個人走得更慢些，或者僅僅停留在原地不動，那么此種行為就會受到抑制。倘若粒子束全都以相同的頻率振蕩，它們能夠展現(xiàn)出類似的集體行為。
可以運用被稱作八極的八極磁鐵，去混合穩(wěn)定粒子的頻率，以此起到穩(wěn)定這種情況的作用，科學家把如此產(chǎn)生的穩(wěn)定叫做“朗道阻尼”，它能給粒子束提供針對一些不穩(wěn)定行為的天然免疫力。然而，高階多極磁鐵增加的穩(wěn)定性以及增強的聚焦是有代價的：這類磁鐵會產(chǎn)生有害的共振，致使儲存粒子所允許的位置和能量的整體范圍有所降低。要是粒子發(fā)覺自身超出了這個所謂的“動態(tài)孔徑”范圍，那么它們就會從加速器中消失 。
新型磁體
世界各地，從事加速器設施工作的科學家們，正致力于產(chǎn)出更具生產(chǎn)力的粒子束，以此來追尋那支撐探索宇宙奧秘的物理學。達成這點的一種途徑是提升光束強度，然而存在一個問題，即隨著強度提升，光束的行為方式或許會變得更為復雜，這進而限制了傳統(tǒng)磁鐵對它們的約束。為給下一代粒子物理學開辟道路，費米實驗室的加速器科學家們在思索一種本質(zhì)上屬于新型的磁鐵，這種磁鐵能夠應對持續(xù)增加的束流強度，。
這些并非線性的磁鐵，實則是眾多多極的特殊組合，它們有極大可能提高光束穩(wěn)定性，不會像簡單八極磁鐵那樣使粒子束穩(wěn)定。隨著科學家持續(xù)推進磁鐵技術邊界，我們能夠更深入窺探亞原子世界，發(fā)現(xiàn)僅存在于最極端條件下的奇異粒子，觀察中微子及μ子的衰變奧斯特實驗視頻，最終更好理解宇宙如何起始。想到不起眼的磁鐵竟是我們通往宇宙某些最深層次奧秘的大門，這令人訝異，不過話說回來，這便是200年前發(fā)現(xiàn)的“吸引力”的力量！
（參照上邊所展示的圖像），能量各異的粒子，四極磁鐵沒辦法把它們聚焦到特定的那個點上，所以呢留學之路，科學家們運用六極磁鐵去修正這種色差。圖片：
博科園｜研究/來自：費米國家加速器實驗室
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