『宇宙』200年前意外发现电让指南针偏转，竟是通向宇宙最深奥秘的大门 |天文|物理|

1820年奥斯特在丹麦哥本哈根大学向一班高年级学生进行了电学实验演示：使用早期的电池原型，奥斯特想看看电流对指南针会有什么影响，因为奥斯特事先没有时间测试实验，结果对奥斯特和他的学生来说都是未知的。当奥斯特通过在电池两端接上一根电线来完成闭合电路时，产生的电流使指南针的指针与电线排成一条线，表明电和磁是同一现象的两个方面。

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在产生电流的过程中，奥斯特德创造了一种临时磁铁：电磁铁。物理学家继续为他们的实验开发电磁铁，今天，他们无处不在：在MRI扫描仪、扬声器、变压器、电动马达和粒子加速器中。当亚原子粒子束以接近光速的速度射出时，加速器磁铁会弯曲和塑造光束。物理学家们设计了各种各样的磁铁，这样就能以想要的方式使用光束，产生他们想要的物理效果。
加速器磁铁是如何工作的？
带电粒子（如质子和电子）的运动会产生磁场；同样，磁场也会影响带电粒子的运动，这就是奥斯特德200年前试验揭示的关系，后来科学家们开始定义：电和磁是一枚硬币的两面，这是人类利用来改变世界的一种现象，为你用来看本文的手机设备供电电网源于对磁电关系的理解，粒子物理学家已经利用电磁学来探索我们宇宙的起源。
【『宇宙』200年前意外发现电让指南针偏转，竟是通向宇宙最深奥秘的大门】

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其方法是控制加速器中的粒子束，将它们撞击到一个目标上，并产生更多的粒子供科学家研究。通过通过线圈传递电流，加速器专家制造出一种带有北极和南极的电磁铁。这些缠绕的导线形成了加速器中使用的电磁铁极点。它们不仅可以排列成两极电磁铁，还可以排列成四极、六极甚至更多极的磁铁。但这些不像家用磁铁，加速器磁铁可以和一辆皮卡一样长甚至更长。

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同时还可以重达数吨，通常需要几个月的时间来建造每一个。不管制造加速器磁铁的材料是什么，加速器磁铁都可以根据它们的极数进行分类。大多数来自四种类型：偶极磁铁弯曲光束，四极聚焦光束，六极纠正四极的不完美聚焦，八极有助于提高存储的粒子束的稳定性。用加速器术语来说，这些是科学家们用来操纵这些发现引擎中光束的不同磁性“多极” 。
偶极子转向光束
偶极子最常见的是由两根分开的线圈组成，它们的北极和南极面向对方，当电流流过线圈时，在两极之间的间隙中形成单向磁场。加速器科学家和工程师可以利用这个磁场将带电粒子束沿着曲线弯曲。简而言之，偶极子是把光束送到它们需要去的地方的主要方式。如果你碰巧骑在一个质子上，直奔一个指向下方的磁场，你和质子会以与磁铁磁场强度成正比的量向左移动。

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（上图所示）当带正电的粒子进入并通过偶极磁铁磁场时，它会向左偏转，偏转角度与磁铁所施加的力成正比。图片：Jerald Pinson
磁场越强，向左拉你和质子的感觉（力）就越强，对于垂直磁场，画出的路径是水平圆弧。偶极磁铁通常用来弯曲粒子束，例如在圆形加速器中，多个偶极磁铁沿着束流路径排成一排。粒子束一个接一个地通过，每次通过都会在一个方向上被轻推，这样它就会沿着曲线移动。快速作用偶极子也可以用来将粒子束“踢”进或踢出圆形加速器的主光束。