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，他使用早期的电池原型，想看看电流对指南针会有什么影响，由于奥斯特事先没有时间测试实验，所以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，这表明电和磁是同一现象的两个方面。
在促使电流得以产生的进程之中，奥斯特德创制出了一种具备临时性特质的磁铁，也就是电磁铁。物理学家持续不断地为自身开展的实验去研发电磁铁，直至今日，电磁铁广泛存在于诸多领域：像是MRI扫描仪、扬声器、变压器、电动马达以及粒子加速器当中。当亚原子粒子束按照靠近乃至仿佛临近于光速的速率发射出去之际，加速器磁铁会对光束起到弯曲以及塑形的作用。物理学家精心设计了种类繁多的磁铁，通过这般方式便能够依照所期望的形式去使用光束，进而产生出他们所期望达成的物理成效。
加速器磁铁是如何工作的？
带电粒子，像质子以及电子，其运动能够产生磁场，同样，磁场也会对带电粒子的运动造成影响，这便是奥斯特德在200年前试验所揭示的关系，后来科学家们着手进行定义，电与磁是一枚硬币的两面，这是人类用以改变世界的一种现象，为你观看本文所使用的手机设备供电的电网源于对磁电关系的理解，粒子物理学家已经借助电磁学来探寻我们宇宙的起源。
它的办法是操控加速器里头的粒子束，把它们撞击至一个目标之上，进而产生更多粒子以供科学家开展研究。借由经由线圈传导电流，加速器专家打造出一种具备北极与南极的电磁铁。这些缠绕起来的导线构成了加速器所运用的电磁铁极点。它们不但能够排列成两极电磁铁，而且能够排列成四极、六极乃至更多极的磁铁。然而这些跟家用磁铁不一样，加速器磁铁能够和一辆皮卡一样长甚至还要更长。
1. 同时它还能够重达数吨，一般而言建造每一个都得要几个月的时间。 2. 不管制造加速器磁铁所采用的材料是怎样的，加速器磁铁都能够依据它们的极数来进行分类。 3. 绝大多数来自四种类型：偶极磁铁会使光束弯曲，四极能聚焦光束，六极可纠正四极的不完美聚焦，八极有助于提升存储的粒子束的稳定性。 4. 以加速器术语来讲，这些便是科学家们用以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
偶极子最常见的构成是由两根分开的线圈，它们的北极与南极彼此相对，当电流流经线圈时，会在两极之间的间隙里形成单向磁场。加速器科学家以及工程师能够借助这个磁场令带电粒子束沿着曲线弯折。简单来讲，偶极子是使光束抵达它们要去之处的主要途径。要是你恰好骑在一个质子上，朝着一个指向下方的磁场径直前行，你和质子会以与磁铁磁场强度成比例的量向左移 动。
（如上图所展示的那样），当带有正电的粒子进入到偶极磁铁磁场之中，并且通过该磁场的时候，其会朝着左边发生偏转，而这种偏转的角度与磁铁所施加的力呈现出成正比的关系。图片：
磁场强度越大，向左拉扯你以及质子的那种感觉也就是力就会越强奥斯特实验视频，对于垂直方向的磁场来说，所画出的路径是水平的圆弧。偶极磁铁常常被用于弯曲粒子束，比如说在圆形加速器当中，多个偶极磁铁顺着束流路径排列成一排。粒子束逐个通过，每一次通过都会在一个方向上被轻轻推动，如此一来它就会沿着曲线行进。快速作用偶极子同样能够用来把粒子束“踢”进或者踢出圆形加速器的主光束。
四极磁铁聚焦光束
单向力施加的磁铁，能很好地让粒子束朝着特定方向弯曲，然而却无法维持粒子束的形状。要是把光束置于偶极子内，任其自行其道，它便会瓦解。粒子束如同气体分子集合那般，存在温度，这种随机能量会致使粒子在加速器里自然漂移。倘若未将粒子束聚拢回来，那它们就会撞击到正在循环的真空管壁上。所以，科学家运用四极磁铁去重新聚焦这些任性的粒子，把它们带回折叠状态。
存在一种四极磁体，其如上图所呈现的样子，在粒子加速器里，要是粒子偏离集中束太过遥远，那么极就会把粒子推至一起。四极聚焦仅在一个平面之上，因而为了从两侧对加速器光束进行挤压，这些磁铁通常是一个挨着一个地堆叠起来的，并且每个磁铁都相对于前一个旋转九十度。借由这种方式，束流粒子在穿过连续的磁铁之际会在两个方向上被推到一起。图片：
按照名称的含义来说，四极杆存在着四个交替出现的极，这些极能够产生出一种特别的磁场，借助该磁场可以把粒子再次聚集到一起，其原理如同透镜能够把光线弯曲至一个点上那般。单个的四极杆会把一束光束聚焦于一个平面之上，举例来讲，当四极杆穿过加速器的时候，它能够将光束的两侧朝着内部挤压，然而，类似于Play - Doh块在两边被挤压到一起时的那种反应方式，光束会朝着另外一个方向产生散焦现象。解决这个问题的办法是把多个方向交替的四极杆串联在一起，让光束穿过其中的一个，从而在水平方向上受到挤压 。
接着它穿过下一个，于垂直方向遭挤压，伴随每一回连续挤压，它会变得聚焦。净效应是一束稳定粒子束，它们绕加速器旋转时，来回嘎嘎作响。同样，四极杆可使光束散焦，粒子通过加速器时，有时光束密实程度稍低些更好，借此降低粒子相互干扰可能性。光束通过磁场强度较弱四极杆时，能先在上下方向展开，接着在左右方向展开，依此类推，直至被恰当散焦。
六极磁铁校正
好似偶极磁铁能让光束弯折，然而却无法维持聚焦那般，四极磁铁能够使粒子聚焦，不过并非全都聚焦于同一位置，缘由是构成光束的粒子能量存在些许差异。令人遗憾的是，针对所有的光束能量，四极磁体的表现并非全然相同，相较于低能粒子，高能粒子受四极磁场的作用较小。其结果便是，高能粒子和低能粒子顺着光束路径聚焦于不同的点上，这跟水滴弯折不同颜色的光得以产生令人赞叹的彩虹情形相类似， 。
于四极磁体里，这般“色差”会致使粒子于加速器内来回反弹的速度存有差异，此现象被加速器科学家称作色度。在诸多情形下，为了能看到期望的物理效果，必须对色度予以校正，因而科学家们运用六极杆来达成这一目的。当于加速器中正确放置时，这些六极磁铁会促使较高能量的粒子再度与光束的其余部分对齐。
八极磁体提高稳定性
有时候，我们会碰到这般情景：你正走在走廊之上，此时有人从拐角处转出来，径直走到你跟前，你们二人先是朝着同一个方向挪动，接着又转向另一个方向移动，随后再折返，竭力避免相互碰撞，这般相遇好像会持续好长一段时间。难以超越他人，是因为有着相似的移动速率所致。要是有一个人走得更慢些，或者仅仅停留在原地不动，那么此种行为就会受到抑制。倘若粒子束全都以相同的频率振荡，它们能够展现出类似的集体行为。
可以运用被称作八极的八极磁铁，去混合稳定粒子的频率，以此起到稳定这种情况的作用，科学家把如此产生的稳定叫做“朗道阻尼”，它能给粒子束提供针对一些不稳定行为的天然免疫力。然而，高阶多极磁铁增加的稳定性以及增强的聚焦是有代价的：这类磁铁会产生有害的共振，致使储存粒子所允许的位置和能量的整体范围有所降低。要是粒子发觉自身超出了这个所谓的“动态孔径”范围，那么它们就会从加速器中消失 。
新型磁体
世界各地，从事加速器设施工作的科学家们，正致力于产出更具生产力的粒子束，以此来追寻那支撑探索宇宙奥秘的物理学。达成这点的一种途径是提升光束强度，然而存在一个问题，即随着强度提升，光束的行为方式或许会变得更为复杂，这进而限制了传统磁铁对它们的约束。为给下一代粒子物理学开辟道路，费米实验室的加速器科学家们在思索一种本质上属于新型的磁铁，这种磁铁能够应对持续增加的束流强度，。
这些并非线性的磁铁，实则是众多多极的特殊组合，它们有极大可能提高光束稳定性，不会像简单八极磁铁那样使粒子束稳定。随着科学家持续推进磁铁技术边界，我们能够更深入窥探亚原子世界，发现仅存在于最极端条件下的奇异粒子，观察中微子及µ子的衰变奥斯特实验视频，最终更好理解宇宙如何起始。想到不起眼的磁铁竟是我们通往宇宙某些最深层次奥秘的大门，这令人讶异，不过话说回来，这便是200年前发现的“吸引力”的力量！
（参照上边所展示的图像），能量各异的粒子，四极磁铁没办法把它们聚焦到特定的那个点上，所以呢留学之路，科学家们运用六极磁铁去修正这种色差。图片：
博科园｜研究/来自：费米国家加速器实验室
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