一個看不見的宇宙

有科學家認為，150億年前的大爆炸中，形成了“一正一反”：正宇宙就是我們目前生存的宇宙，而反物質就是我們目前無法看得見摸得著的另一個世界。這個反物質世界究竟存不存在，如何把它搜尋出來，一直是學界難題。

美國“奮進”號航天飛機向國際空間站運送了一個獨特的太空粒子探測器，科學家們試圖用它去尋找宇宙中可能存在的反物質以及暗物質。

尋找反物質，驗證宇宙起源

按照我們現有的宇宙起源理論，在大爆炸之初，宇宙向著一正一反兩個對立的方向發展。從科學家們構擬的圖像來看，正反兩個宇宙好像從中間一個原點向左右擴散開來的兩片蝴蝶翅膀。物質宇宙的對立面，仿佛鏡像一般，有一個反物質的宇宙。

在微觀的粒子層面，也存在著這種對稱。如今我們所熟知的組成物質的基本粒子，如電子、質子、中子等，都有與它們相反的粒子，它們在質量上、樣子上與它對應的粒子一模一樣，但所帶的電荷正負恰恰相反。這些相反的粒子就被稱為反粒子，如反電子、反質子、反中子等。物理學家根據反粒子理論，提出了反物質假說，但是否真有反物質，至今仍是一個謎。粒子與反粒子是一對冤家，碰到一起會同歸于盡，化作一束強光，連一點“尸首”都不留下，這種現象我們稱之為湮滅。在大爆炸后，“蝴蝶”的另一片“翅膀”——反物質組成的宇宙神秘消失了。它去了哪里？

目前，許多反粒子已可以在實驗中造出來。現在的正負電子對撞機就是利用加速器來獲得人工反電子的。科學家還通過加速器獲得了反質子、反中子和其他更小的反粒子。物理學家們認為，既然有反粒子，就應該有由基本的反粒子組成的反物質，如由兩個反中子、兩個反質子和兩個正電子組成的反氦。反氦原子核如今是研究者們的重點搜索對象。

科學家一直盼望能找到反物質的“遺孤”，從而去證實或者推翻我們對宇宙起源的理解。反物質一靠近地球就湮滅了，那么，在茫茫太空能找到它嗎？于是，一個大膽的探測項目誕生了，這就是著名的“阿爾法磁譜儀太空粒子探測項目”，簡稱“AMS”。這是物理學家丁肇中19年來唯一領軍的科研項目，也可謂是當今粒子物理學界最前沿的實驗。

如何尋找？放塊“大磁鐵”到太空

AMS項目啟動于1994年。那時，美國國家航空航天局（簡稱NASA）花了很多錢來運作國際空間站，希望能進行一些有分量的科學研究。這時，丁肇中教授的一個瘋狂想法傳到了NASA局長戈爾丁的耳中：他想放一塊大“磁鐵”到太空，去探測宇宙中的反物質。這個想法太有創意了！戈爾丁當即找來丁肇中，兩人一拍即合，商定由NASA負責送“磁鐵”上太空，其他的研究經費、科學實驗等則由丁肇中負責。項目本身的巨大吸引力和丁肇中教授本人的號召力，很快讓他在全世界找到了合作團隊。

1998年，第一代阿爾法磁譜儀登上太空，短短10天的數據收集，就取得了太空粒子研究方面的重大發現。在這之后，二代磁譜儀的改良研發工作緊鑼密鼓地進行。改進后的AMS-02最終隨著奮進號發射升空。整個項目歷時17年，耗資20多億美元。美國的《紐約時報》稱這個項目是“有史以來最昂貴的科學實驗之一”。

AMS項目臺灣團隊主持人、臺灣“中央研究院”院士、粒子物理專家李世昌教授表示，安裝好的AMS-02已經開始有條不紊地運轉，從太空收集到的粒子數據已經開始源源不斷地傳回，讓粒子物理學家們眼前發亮的粒子數據已經開始出現。“對我們而言，真正的工作才剛剛開始。”李世昌教授說。

探測器守株待兔，時刻“恭候”反粒子

有人說，AMS-02看上去有點像是一摞壘砌起來的面包圈，其實它是永久磁鐵。這個重達7 000千克、長4米、寬3米、高約5米的大個頭人造磁鐵產生的磁力超強，據說是地球磁場的1.7萬倍。這樣的體量，也讓它能夠探測更多的太空粒子。我國中科院電工所對磁體系統的精密設計讓這個大磁場內部的磁性很強，外部卻很弱，如此一來，空間站的運行就不會受這個大磁場的影響而左搖右擺。

據中山大學AMS團隊的專家介紹，安裝在空間站的AMS可謂是守株待兔，時刻等著宇宙各種粒子穿過磁場內部。AMS探測器含有5個子探測器，其中一個是用于探測反物質的，它可以辨別粒子是否帶電荷，帶的是正電荷還是負電荷。如果反氦原子核穿過，會被敏感地捕捉到。

中山大學AMS團隊技術負責人何振輝教授稱這是一個“大海撈針”的過程。他說，丁肇中先生曾將太空中穿過AMS的形形色色的粒子形容為一場場“大雨”，而儀器所要過濾的正是“雨滴”中異常的閃光點。“這撈出的針會是兩頭還是三頭，都還很難講，但我們充滿期待。”

正反物質相撞或帶來能源開發前景

廣東省政府為該項目投入巨資。中山大學的4個學院參與到這個項目的研發工作中，并研制了硅微條軌跡探測器的熱控系統，簡稱“TTCS”。目前，整個熱控系統運轉正常，對整個探測器的正常運轉起到了很好的保障作用。然而，我們為什么要到太空尋找反物質粒子？它跟我們的日常生活有關系嗎？

“反粒子”已應用于腫瘤治療

李世昌院士說，目前有一種新技術在逐漸被廣泛使用——正電子斷層造影。這一技術利用的就是反粒子的一些原理，來精確標示人體內的癌細胞。相比目前其他的確診手段，正電子斷層造影能更清晰地讓醫生比對出病人在治療前后癌細胞控制情況的好壞。

“不少醫生在使用這個設備，但對其背后有關粒子物理的東西卻不甚了解。”李世昌說。他指出，1928年狄拉克提出反粒子理論，1932年安德森從宇宙射線中發現電子的反粒子——正電子，但他們都沒想到，在2000年前后，人類已可以將它用在癌癥診斷上。此外，目前用高能量光子照射腫瘤、殺死腫瘤細胞的嘗試也被認為好于γ射線，它能更精準地殺死癌細胞，而且對腫瘤周圍的正常組織的副作用大大降低。

未來或能被利用

中山大學參與該項目的呂樹申教授則暢想，在未來，如果有辦法捕捉到反物質，比如大膽想象能將“反粒子”存放起來，它和正粒子相遇湮滅的一剎那，會釋放出巨大的能量。“現在都在開發核能，核能看起來已經很了不起了，但是這種正反物質相遇所產生的能量，會不會被人類利用，給人類帶來新的能源呢？大膽暢想一下，倒也不妨。”呂樹申說。