撰文 | Ericsen

这里说的“幽灵火车”并不是传说中的“果戈里幽灵火车”【1933年，一列载有俄罗斯著名作家果戈里头骨的火车在某个隧道突然诡秘消失】，而是一项与火车安全相关的科技发明，可这与粒子加速器有什么关系呢？

交叉路口的事故

这类事故很惨烈：有车辆被困在铁路与公路的交叉路口动弹不得，可火车马上就要开过来了。被困车辆的司机急得团团转，却想不出任何办法能及时通知火车的司机刹车。不幸的事情就这样发生了，高速行进的火车发现这种突发情况时根本无法快速刹住车，只能眼睁睁地撞上被困的车(火车紧急刹车后有时甚至要在一英里之后才能完全停下来)。如果火车本身因此脱轨，那事故就更加严重了。

铁道与公路交叉路口车辆相撞的惨烈事故(图片来自网络)

美国工程师德里克•普朗特(Derek Plant)某日深夜在YouTube上浏览时偶然看到了一批记载这类事故的视频，普朗特为这些视频的数量感到惊讶，但他知道这仅是被记载下来的事故，可能还有更多的事故没有被记载。据美国联邦铁路管理局的统计数据，美国每年有数百上千车辆遭遇这一命运，造成数百人受伤甚至还有死亡。这太可怕了，难道没有办法避免这类事故么？普朗特陷入了沉思。

不一般的工程师

这位普朗特不是一位普通的工程师，他是美国费米国家加速器实验室(Fermi National Accelerator Laboratory)粒子加速器部的工程师。这有什么特殊么？的确有！

美国费米国家加速器实验室简称费米实验室(Fermilab)是美国最大的高能物理研究实验室，在世界上仅次于欧洲核子研究中心CERN。费米实验室拥有庞大的粒子加速器集群。该粒子加速器集群由直线加速器、增强器、回收环、主注入器等多个粒子加速器及多个其它大型配置设施组成。

直线加速器(长500英尺)先将质子束流加速至400 MeV、增强器(圆周长1500英尺)将质子束流加速至8 GeV、回收环(圆周长2英里，相当于10560英尺)将质子组合成批次，形成更强的束流后进入位于回收环下方的主注入器(圆周长2英里)，将质子束流的能量提升至120 GeV。高能量、高质量的质子束流以及打靶后产生的世界上强度最高的中微子束流，为数千名科学家提供了最优的实验条件。

费米实验室鸟瞰(图片来自网络)

费米实验室粒子加速器集群示意图(图片来自网络)

直线加速器(左图)、增强器(右图)(图片来自网络)

回收环与主注入器(图片来自费米实验室)

如果问“运行这个庞大的粒子加速器集群靠的是什么？”负责人的答案是如此肯定：靠的是整个运行团队，他们拥有你在其他任何地方都找不到的技能。费米实验室粒子加速器部拥有一个约300人的运行团队，其任务就是全力维护这个庞大的粒子加速器集群的正常运转。

这个部门的负责人将这个粒子加速器集群比喻为一个极其复杂的链条，一环扣一环，每个环节都不得有丝毫的差错。在每年的运行期间，粒子加速器集群要保持每天24小时、每周7天连续运转不能间断，运行人员采用轮班制在岗。

在粒子加速器集群的主控制室以及相关的各设施的控制室里，布满了各种显示屏幕，各类信息从整个链条的各个环节传入，信息量是巨大的。运行人员要密切关注这些显示屏，从大量的数据、曲线等信息中敏锐地判断整个系统的运转是否正常，他们需要全身心地投入，不能有一点马虎。对于每个运行人员来说，他们的工作并不容易，因为没有一天是平平淡淡的，每一天都可能有新的挑战。

费米实验室粒子加速器集群的主控制室(图片来自费米实验室)

运行人员必须了解、熟悉多种专业知识，从带电粒子动力学到相关的磁铁、电源、真空、低温等等系统，对每个方面都必须知道一些，要清楚每个设备的独特需求、核心功能、可能发生的问题以及解决的措施等。他们还要根据研究人员提出的不同实验目标，调整各类设备的技术参数，例如改变粒子束流的能量、大小及形状等。

运行期间无论哪个环节出现问题，运行人员都是第一反应者，发现问题并即刻想办法解决。有时，一些问题可以在粒子加速器的控制室内用扭动旋钮来解决，但也有不少时候需要亲临现场去检查。一旦发现他们自己没有能力修复，可以立即呼叫专门的技术人员来解决，关键是他们要有能力迅速判断应该找什么人来是最合适的。整个运行团队就是由这样一群非常特殊的人才组成的，他们具有一种特殊的思维能力。他们自己也为此感到十分自豪，因为这代表了聪明才智以及经验的累积。

“幽灵火车”

普朗特就是这个具有特殊思维能力团队中的一员，他在费米实验室的粒子加速器部已经工作了20多年。普朗特开始在业余时间为研究如何减少铁路与公路交叉路口的车辆相撞事故而努力。

普朗特(前排左一)与他的几位同事(2009年)(图片来自费米实验室)

■普朗特调研了铁路与公路交叉路口的实际状况。铁路轨道在与公路交叉时总是被高架起来，这是为了便于铁路排水系统排水，但由此在交叉路口形成的铁路“驼峰”往往会造成车辆越过此处时车底盘被卡导致车辆不能动弹。理论上，设想可采用一种不同的排水方法，让铁路轨道与公路保持在同一个水平面上，这样就不再有“驼峰”的隐患。但这意味着要对美国现有的20多万个铁路与公路的交叉路口进行改造，这在较长时间内都不可能完全实现。其它的解决方案，例如将铁路与公路交叉路口全都改为立体交叉等设计等似乎也很不现实。

■普朗特调研了铁路的信号系统是如何避免火车之间相撞的。火车在铁轨上快速穿梭，铁轨常会有交叉，为何火车发生相撞的事故极少听说呢？原来，铁路部门有一套较为完善的闭塞系统，可以尽可能地避免行进中的火车相撞。

闭塞系统是将一个方向的铁路线划分成多个闭塞区间，每个闭塞区间的长度在数千米左右。同一时间内，一个闭塞区间内只允许有一列火车占用。指示信号来自铁轨上的信号块，当火车驶入一个闭塞区间，在通过设置的信号块时金属车轮与车轴将两条金属铁轨连接起来形成一个电路，识别出火车已经进入该区间，并将区间标记为“占用”状态，这个电路随即将触发信号发出，通知其它火车不能进入。

每个闭塞区间的交界处都设置了色灯信号机，将闭塞区间占用的信息传递给火车司机。原来火车也要遵循红色、黄色或绿色灯光的指示信号，不同颜色的信号灯代表了不同的指令。

铁路闭塞系统的三显示与四显示比较(图片来自网络)

火车的闭塞分区信号灯(图片来自网络)

因火车惯性大，减速需要一定的时间和距离，铁路系统一般会采用多个闭塞区间信号联动的方式来加强提示火车减速。当然，为防止因火车司机疏忽而导致发生事故，火车上还配置了运行监控记录装置，用于接收信号系统通过铁路轨道发送的信号，获得前方区间的火车占用信息。如果司机在前方区间有火车的情况下没有及时减速或停车，火车运行监控记录装置将取代司机控制火车减速，以保证火车的行驶速度变得安全。

■保障铁路安全的闭塞分区系统给了普朗特很好的启示，如何才能利用铁路的这个闭塞系统来通知火车司机前方发生了车辆被困铁轨的情况？别忘了普朗特属于那种具有特殊思维能力的人。

他的思路与众不同：假如能设法将被困在铁轨上的车辆当作一辆实际上并不存在的火车发出信号，火车司机不就能有时间提前减速及刹车了。为模拟火车的存在，必须在铁轨之间制造一个非常强的电流，实现这个功能的关键在于采用强力的磁铁和特殊的导电装置，而这些技术正是费米实验室粒子加速器部的强项。

很快，普朗特用他在费米实验室加速器部工作20多年所积累的技能研制出一套设备。设备本身并不复杂，将一个磁铁置放在一条铁轨上，另一个磁铁置放在另一条铁轨上，只要将它们通过该设备连通，便可模拟有辆“火车”进入了这个闭塞区间，铁路的闭塞分区信号系统立即将该区间标记为“占用”状态发出警告信号，即将通过该闭塞区间的火车司机就会收到前方铁轨被阻塞的红色灯信号，立即紧急刹车。而实际上，这辆火车并不存在，普朗特幽默地将自己的这项发明称为“幽灵火车发生器”。

这套高科技的设备是如此的小巧和易于应用，对经常需要通过铁路与公路交叉路口的车辆来说，它可以像一般的车用灭火器那样很方便地放在车内备用。如果真的不幸发生了被困在铁轨上的危急情况，迅速取出这套设备安装在铁轨上，即可给铁路安全系统发出信号，通知即将通过此交叉路口的火车立即刹车，这样，很大部分车毁人亡的惨剧可因此而避免。

普朗特发明的“幽灵火车发生器”(图片来自费米实验室)

为何普朗特的发明如此吸引人？部分原因是它的简便性及实用性，费米实验室的技术转让部门正在为这项发明申请专利。

2017年5月，“幽灵火车发生器”在美国国家创新峰会上作了展示，并获得了全球最大跨界别交流合作平台TechConnect颁发的创新奖。

■普朗特认为，正是费米实验室良好的环境氛围促使他努力去寻找解决铁路与公路交叉路口发生悲惨事故的方法。费米实验室鼓励超越粒子物理学领域的科学创新和探索，这项发明只是费米实验室多项技术转让计划中的一项。

费米实验室发布的相关新闻(图片来自费米实验室)

2017年5月，费米实验室在美国国家创新峰会展示“幽灵火车发生器”(图片来自费米实验室)

费米实验室网页“合作及技术转让”栏目对“幽灵火车发生器”的介绍(图片来自费米实验室)

《Symmetry》报道的“Conjuring ghost trains for safety”(图片来自网络)

由普朗特发明“幽灵火车发生器”产生了一点联想：中国目前正在运行的大科学装置数量已为数不少，虽然涉及的研究领域各不相同，但每个大科学装置的正常运行都得依靠自己特有的运行团队。这些团队成员拥有的特殊思维能力值得好好珍惜，要努力营造良好的环境氛围，鼓励他们进行超越自身研究领域的科学创新和探索，这些特殊人才所蕴含的科技潜力是巨大的！

参考资料

1、Conjuring ghost trains for safety

https://www.symmetrymagazine.org/article/conjuring-ghost-trains-for-safety?page=4

2、Conjuring Ghost TrainsCould Make Train Tracks Safer

https://curiosity.com/topics/conjuring-ghost-trains-could-make-train-tracks-safer-curiosity/

3、Life as anaccelerator operator | symmetry magazine

https://www.symmetrymagazine.org/article/life-as-an-accelerator-operator

4、Fermilab'sAccelerator Complex 

https://www.fnal.gov/pub/science/particle-accelerators/accelerator-complex.html

5、Ghost TrainGenerator 

https://www.ct-si.org/news/item.html?id=620

6、Invention couldhelp avert disaster on railroad crossings

https://news.fnal.gov/2017/09/invention-help-avert-disaster-railroad-crossings/

7、Tevatron's doctors keepthe machine running well

http://www.fnal.gov/pub/today/archive/archive_2009/today09-12-02.html

https://www.symmetrymagazine.org/breaking/2009/12/30/tevatrons-doctors-keep-the-machine-running-well

8、Partnershipsand Technology Transfer

https://partnerships.fnal.gov/technologies/ghost-train/

9、Nationallaboratory creates 'Ghost Train Generator'

http://trn.trains.com/news/news-wire/2017/10/03-ghost-train-generator

10、FermilabInventor Recognition Ceremony celebrates employees and technological progress

https://news.fnal.gov/2019/04/fermilab-inventor-recognition-ceremony-celebrates-employees-and-technological-progress/

11、火车如何避免相撞 

https://zhidao.baidu.com/question/183741791.html

http://news.zol.com.cn/614/6140636.html

12、铁路技术管理规程 

http://www.nra.gov.cn/xxgk/flfg/bmgz/wfbgzcy/201505/t20150529_13820.shtml

13、费米国家实验室 

http://www.ihep.cas.cn/kxcb/zmsys/200910/t20091030_2643513.html

https://www.fnal.gov/