我所經歷的現代物理及體會(四)

丁肇中

(麻省理工學院，馬薩諸塞州 02179-4307，美國)

5 自然科學的研究，是具有競爭性的，只有第一，沒有第二(續)

第二個目標：精確測量宇宙線。AMS有7個探測器，對宇宙線的各種原子核進行精確的測量。宇宙線有2種：初級宇宙線和次級宇宙線。初級宇宙線就是很原始的宇宙線，比方說質子，氦，碳，氧……產生以后，在宇宙中飛行幾百萬年，被AMS探測到。初級宇宙線從他們的起源一直傳播到AMS。所以，初級宇宙線攜帶了關于他們起源和傳播的信息。

在AMS之前，過去100年來全球測量質子流強的實驗最好的結果仍具有很大的誤差，相互之間不一致。這限制了對宇宙線的認識。有很多不一樣的結果，就意味著任何理論都可以符合。AMS采集了3億個結果，(在2 000億eV前)符合理論預測的結果，但到2 000億eV之后就不一樣了，有新的現象存在。實驗的結果和理論預測不一樣，推翻了幾十年來的傳統理論(圖27)。

圖27 AMS質子流強實驗新結果

在我們之前，測量初級宇宙線(氦，碳、氧)的結果沒有一個清楚的規律。但我們的結果非常奇怪，AMS初級宇宙線的測量結果是，氦、碳、氧隨著剛度的增加發生完全相同的變化。氦測了9 000萬個數據，碳840萬個數據，氧700萬個數據，量是很大的(圖28)。

圖28 AMS初級宇宙線的測量結果

同時有一個現象，在2 000億V以后，氦，碳、氧以完全相同的方式上升，這是出乎意料的結果。沒有任何一個結果和以前的結果是一樣的，沒有任何一個結果和理論推測是一樣的。用中國話說，叫“天下大亂”了。

除了初級宇宙線以外，還有次級宇宙線(鋰，鈹，硼…)。次級宇宙線是由初級宇宙線和星際物質碰撞產生的，所以次級宇宙線提供了宇宙線傳播過程和星際物質的特性。鋰測了190萬個數據，鈹90萬個數據，硼260萬個數據。次級宇宙線(鋰、鈹和硼)隨著剛度具有相同的行為，而且他們在2 000億伏的剛度以后也都發生相同的變化。但是，次級宇宙線和初級宇宙線隨剛度發生不同的變化(圖29)，這是想象不到的結果。

圖29 次級宇宙線和初級宇宙線隨剛度發生的變化

“碳-氮-氧循環”是恒星能量的來源，是1939年Bethe提出來的，他因此在1967年拿到諾貝爾獎。

“It is shown that the most important source of energy in ordinary stars is the reactions of carbon and nitrogen with protons. These reactions form a cycle in which the original nucleus is reproduced … “

過去科學家測量在太陽系內碳、氮、氧元素的比例為：氮/氧=0.17，碳/氧=0.54。AMS 測量的銀河系中的元素比例有很大不同；氮/氧=0.09，碳/氧=0.90。

在宇宙中除了原子外還有上百種帶電的基本粒子。只有電子、質子、正電子和反質子具有無限長的壽命,能夠在宇宙中一直穿行，直到被AMS接收為止。根據測量，隨著能量的增加，質子和反質子的能譜具有相同的行為(圖30)。如果大家認為反質子是質子碰撞的產物，就很難想象這種結果。

最出乎意料的結果：正電子、反質子和質子的能譜是一樣的，但是反質子和質子的質量比正電子的質量大2000倍。這和地面上的經驗完全不同。電子的能譜是完全不一樣的(圖31)。2018年4月15日，我在西班牙組織了一個國際會議，邀請了世界上最有名的科學家來討論這個結果，到現在為止，還沒有人能解釋。

美國物理學會過去10年(2007—2017)共發表了20 000篇重要物理結果(PRL)，其中52篇最重要的物理結果入選“編輯建議”十周年回顧, 包括：

圖30 AMS測量隨著能量的增加，質子和反質子的能譜行為

圖31 AMS測量的正電子、反質子和質子的能譜

· AMS暗物質論文

· 發現重力波(2017年獲諾貝爾獎)

· 發現117號元素

能看出，AMS已經開始為人類的知識做出重要貢獻。

AMS的另一個目標是尋找由反物質組成的宇宙。如果宇宙起始于大爆炸，大爆炸之前是真空，那么大爆炸之后應該有相同數量的物質與反物質。過去50年，沒有實驗在太空中精確地尋找到反物質。所以，理論物理學家認為，對稱性是破壞的，對稱性理論是錯誤的，反物質在宇宙中是不存在的。

正因如此，過去50年大家都在找對稱性破壞，卻沒有找到。但AMS找到了若干哥反氦-4的候選事例。圖32是其中一個事例，測量到這個反氦-4的動量=32.6 ± 2.5 GeV/c，電荷=-2.05±0.05。(現觀測的)所有氦的電荷都是正的，只有它是負的。它的質量=3.81±0.29 GeV/c2，而4He質量=3.73 GeV/c2，質量是一樣的，唯一不同的就是電荷。這表示宇宙中非常非常有可能有反粒子存在。找這種氦是很困難的。每1億個氦數據中，只有1個反氦。為了確保數據的準確性，現在正在對探測器進行精確的驗證。

我們測量的正電子的結果和暗物質的理論是符合的，但是要完全證明找到暗物質，還需要幾年的時間。宇宙線的各種原子核的能量分布，都與現有的宇宙線理論不符合。AMS推翻了以前所有的理論，帶來了新的知識。

但AMS最重要的結果是，探索到自然界中存在,然而我們卻無法想像的,前所未有的現象。這才叫“向前走”。

我剛拿到物理博士學位的時候是上世紀60年代，那時候最新的儀器是美國300億eV的質子加速器。根據專家的意見，(原定目標)是了解原子核力的來源。實際發現是2種中微子、時間對稱破缺、J粒子；70年代，美國4 000億eV的質子加速器，原來是想找中微子，實際上發現了第5種夸克、第6種夸克；

上世紀70年代，美國60億正負電子對撞機，原來的目標是量子電動力學，實際的發現是部分子、第4種夸克、第3種電子；80年代，德國4 00億eV正負電子對撞機，原來的目標是第6種夸克(實際的發現是膠子(有中國科學家參與))；2000年，日本地下實驗室，原來的目標是質子壽命(實際的發現是中微子有質量)；哈伯望遠鏡，原來的目標是銀河探索，最后找到了暗能量(表1)。

表1 近代物理研究的原定目標與實際發現

科學是多數服從少數，只有少數人把多數人的觀念推翻以后，科學才能向前發展。因此，專家評審并不是絕對有用的。因為，專家評審是依靠現有的知識，而科學的發展是推翻現有的知識。所以受到別人的反對是很好的事情。

剛才已經說過了，現在再來總結一下山東大學和AMS：

(1) 山東大學現在主要工作合作者：美國宇航局、美國麻省理工學院。麻省理工學院現在有大約50位科學家(參與實驗)。

(2) 程林教授主要負責熱控制系統的設計，主管AMS整個熱控制系統。空間站白天(46.5 min)和晚上(46.5 min)的溫度變化超過30度。所以，熱控制系統是最主要、最關鍵的儀器，要長期保持AMS儀器的溫度穩定在度。

(3)AMS主要團隊有：

1) 德國亞琛大學、卡爾斯魯厄大學

2) 中國山東大學、航天部、中山大學、東南大學、電工所

3) 意大利佩魯賈大學、羅馬大學、特倫托大學、博洛尼亞大學、比薩大學等

4) 美國宇航局休斯頓航天中心

5) 美國麻省理工學院

6) 臺灣中央研究院、中央大學

7) 中國科學院高能所

8) 瑞士日內瓦大學

9) 西歐核子中心

10) 西班牙國家核子物理研究中心CIEMAT

這個實驗對工程上的意義在于建造載人登月、登火星的熱控制系統和通信系統。希望山東大學和世界上知名的學校和航天機構繼續合作，對人類認識宇宙的奧秘繼續做出重要的貢獻。

這個實驗是由16個國家花了20年的時間建成的。AMS是太空中唯一的磁譜儀，今后幾十年內，不可能再有第二個磁譜儀。AMS所有的結果都是獨一無二的，改變了人類對宇宙的認識。

我最后一個體會：自然科學的研究，是具有競爭性的，只有第一，沒有第二。沒有人知道誰是第二個發現相對論的人。

2018.7.6 于山東大學

(本刊全文綜合編校，資料來源：山東大學物說新語)

致謝：本文在編校過程中得到了山東大學熱科學與工程研究中心孫鍥主任的熱情幫助和資產與實驗室管理部胡蔓、物理學院曹曉習兩位老師的積極協助，在此謹致誠摯的感謝！