Die Teilchenbeschleuniger der Hochenergiephysik sind Mikroskope von besonders starkem Auflösungsvermögen, ultrafeine Sonden, mit denen man die elementaren Bausteine der Materie untersuchen kann. Diese unvorstellbar winzigen Teilchen, die gegenwärtig zu den wichtigsten Forschungsobjekten der Physik gehören, kann das Lichtmikroskop nicht mehr sichtbar machen. Mit ihm vermag man gerade noch die Details einer organischen Zelle zu erkennen. Bei dieser Größenordnung etwa liegt die Grenze des optischen Auflösungsvermögens.

Nach einem Naturgesetz kann eine Welle von einem Objekt kein scharfes Bild mehr liefern, wenn ihre Länge – der Abstand zwischen zwei Wellenbergen – größer ist als der Gegenstand, der beobachtet werden soll. Selbst mit den besten optischen Linsen sind keine Dinge mehr zu sehen, die kleiner sind als vier hunderttausendstel Zentimeter, also kleiner als die Wellenlänge des kürzesten sichtbaren Lichtes.

Nun hat die moderne Physik festgestellt, daß nicht nur die Lichtquanten, die Photonen, Welleneigenschaften haben, sondern auch alle anderen Elementarteilchen, so zum Beispiel die Elektronen, deren Wellenlänge um vieles kleiner ist als die des Lichtes. Überdies läßt sich die Länge der Elektronenwelle noch verkürzen, wenn man die Teilchen in schnelle Bewegung versetzt, denn je höher die kinetische Energie eines Elektrons ist, desto kürzer ist seine Welle. Diese physikalische Tatsache wird im Elektronenmikroskop ausgenutzt. Hier werden die Elektronen in ein elektrisches Spannungsfeld gebracht, wo sie eine Beschleunigung erfahren und damit eine Erhöhung ihrer kinetischen Energie. Bei einer Feldspannung von 100 000 Volt verkürzt sich die Länge der Elektronenwellen auf rund ein hundertmillionstel Zentimeter. Das ist etwa die Größenordnung der Viren oder der Moleküle, die sich deshalb auch mit dem Elektronenmikroskop sichtbar machen lassen.

Theoretisch müßte sich die Bewegungsenergie der Elektronen durch stärkere elektrische Spannungsfelder auf so hohe Werte bringen lassen, daß ihre Wellen kurz genug werden, um zum Beispiel die Struktur von Atomkernen und Elementarteilchen „ausleuchten“ zu können. Praktisch ist dies jedoch nicht möglich, weil sich bei Spannungen von einigen Milliarden Volt, die dazu erforderlich wären, Wellenlängen der Größenordnung von einem tausendbillionstel Zentimeter herzustellen, Kurzschlüsse und damit der Zusammenbruch des Feldes technisch nicht mehr vermeiden ließen. Deshalb bedient man sich einer anderen Methode zur Elektronenbeschleunigung, nach der die Maschinen der Hochenergiephysik, wie zum Beispiel das Synchroton, arbeiten.

Ein mechanischer Vergleich mag diese Methode verdeutlichen: Man kann eine Kugel dadurch in schnelle Bewegung versetzen, daß man sie eine Böschung hinunterrollen läßt – das würde der Beschleunigung im Elektronenmikroskop entsprechen; die Kugel ist ein Elektron und die Höhe der Böschung die Beschleunigungsspannung. Man kann die Geschwindigkeit der Kugel auch auf den gleichen Endbetrag bringen, wenn man sie nicht eine große, sondern viele kleinere Böschungen hintereinander hinabrollen läßt. Ebenso müßten sich Elektronen statt mit einer großen Spannung in kaskadisch hintereinander geschalteten Spannungsfeldern auf hohe Energiewerte beschleunigen lassen. Dieses Verfahren wird bei einem bestimmten Elektronenschleudertyp tatsächlich angewandt. In unserem zweiten Kugelexperiment hat sich aber der gesamte Höhenunterschied nicht geändert, und ähnlich bleibt die Gesamtspannung, die zwischen dem Anfang und dem Ende eines Systems liegt, in dem Elektronen stufenweise durch Spannungsfelder beschleunigt werden, immer noch sehr hoch. Deshalb sind auch bei diesem Verfahren der Vergrößerung der Elektronenenergie enge Grenzen gezogen:

Wir können unsere Kugel aber durch einen Kunstgriff auf hohe Geschwindigkeit bringen, ohne daß sie einen extrem großen Höhenunterschied durchlaufen muß. Dazu brauchen wir eine Rollbahn aus einer Reihe ebener Bahnstücke, die miteinander durch elastische Bänder verbunden sind. Ein Mechanismus sorgt dafür, daß die festen Bahnstücke nacheinander hochgehoben werden, und zwar immer dann, wenn sich gerade die Kugel auf ihnen befindet. Auf diese Weise bilden die elastischen Zwischenstücke jeweils eine Böschung zum nächsten Bahnelement, auf das die Kugel hinabrollt.

Dies ist das Prinzip der modernen Elektronenbeschleuniger. Dem Mechanismus, der in unserem Kugelversuch die einzelnen Bahnelemente hebt und senkt, entspricht eine Wechselspannung, die in Abständen an der Elektronenbeschleunigungsstrecke angelegt ist.