我所經(jīng)歷的現(xiàn)代物理及體會(huì)(三)

丁肇中

(麻省理工學(xué)院，馬薩諸塞州02179-4307，美國(guó))

諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者丁肇中教授

5 自然科學(xué)的研究，是具有競(jìng)爭(zhēng)性的，只有第一，沒(méi)有第二

第5個(gè)實(shí)驗(yàn)，就是現(xiàn)在正在做的，國(guó)際空間站上的阿爾法磁譜儀實(shí)驗(yàn)，做了快20年了，從1994年開始，將到2024以后。國(guó)際空間站是晚上除了月亮和金星以外最亮的“星”，長(zhǎng)109 m，寬80 m，重490 t，造價(jià)大概是1 000億美金。這是20世紀(jì)、21世紀(jì)人類最大的工程。這個(gè)實(shí)驗(yàn)(阿爾法磁譜儀實(shí)驗(yàn))是國(guó)際空間站上最大的實(shí)驗(yàn)，也是首次由美國(guó)、中國(guó)(臺(tái)灣)、俄羅斯、芬蘭、法國(guó)、德國(guó)、意大利、瑞士等16個(gè)國(guó)家和地區(qū)在空間中的合作。中國(guó)參加的單位有航天部一院、航天部五院、山東大學(xué)、中科院電工所、中科院高能所、東南大學(xué)、中山大學(xué)、臺(tái)灣的中山科學(xué)院、“中央研究院”、“中央大學(xué)”和成功大學(xué)。中國(guó)最大的貢獻(xiàn)有兩個(gè)。第一個(gè)是山東大學(xué)的熱控制系統(tǒng);還有一個(gè)是中國(guó)科學(xué)院航天部一院和美國(guó)麻省理工學(xué)院所做的磁鐵(圖18)。為什么這個(gè)磁鐵重要呢?因?yàn)榇蠹叶贾溃改厢樢活^向北一頭向南，假使把一個(gè)大磁鐵放到天上，一頭向北一頭向南，就沒(méi)辦法控制航天飛機(jī)了。這也是多少年來(lái)沒(méi)有人能把磁鐵放在天上的主要原因。后來(lái)這個(gè)被電工所、高能所、麻省理工學(xué)院、航天部一院用很簡(jiǎn)單的辦法解決了。這個(gè)簡(jiǎn)單的辦法花了40年時(shí)間才完成。1998年，刊登在《科技日?qǐng)?bào)》上的世界十大科學(xué)新聞中，第5條(就是)阿爾法磁譜儀:“1998年6月2日，裝有中國(guó)制造的巨大永磁鐵的阿爾法磁譜儀，首次搭乘美國(guó)發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)升空”。這是人類第一次把很大很大的磁鐵放到天上。航天飛機(jī)沒(méi)有一點(diǎn)問(wèn)題，證明我們的設(shè)計(jì)是對(duì)的。

圖18 中科院電工所、高能所、航天部一院、MIT合作的永久磁鐵

這個(gè)實(shí)驗(yàn)有很多的國(guó)家參與，用的經(jīng)費(fèi)很多。但是，我做實(shí)驗(yàn)只考慮精確度安全度，不考慮錢。所以很多人有不同的意見。2003年2月1號(hào)，航天飛機(jī)“哥倫比亞”號(hào)爆炸，布什總統(tǒng)和美國(guó)政府認(rèn)為航天飛機(jī)太過(guò)危險(xiǎn)，應(yīng)該取消，也因此把空間站上所有實(shí)驗(yàn)都取消了。所有人都服從美國(guó)政府的命令，唯一有不同意見的就是我。我說(shuō):你做這個(gè)決定是錯(cuò)誤的，因?yàn)樽隹臻g站的目的是要做科學(xué)實(shí)驗(yàn)。把空間站做好卻沒(méi)有科學(xué)實(shí)驗(yàn)，就沒(méi)有什么意義了。美國(guó)的參議院同意我的說(shuō)法，所以在2008年全體通過(guò)了一條法律:H.R.6063，要求美國(guó)政府專門為我們?cè)黾右话嗪教祜w機(jī)，把我們的儀器送到空間站上。在美國(guó)，用國(guó)會(huì)命令政府做一個(gè)科學(xué)小實(shí)驗(yàn)，這應(yīng)該還是第一次。在2008年奧巴馬競(jìng)選總統(tǒng)的發(fā)言上也說(shuō)，支持增加一班航天飛機(jī)把我們的儀器送到國(guó)際空間站。當(dāng)時(shí)美國(guó)的媒體大多數(shù)都有些說(shuō)法，說(shuō)政府的決定是錯(cuò)誤的。

這是首次在太空中運(yùn)行的大型天體物理實(shí)驗(yàn)。所有的探測(cè)器都是我們發(fā)展的新技術(shù)。AMS(阿爾法磁譜儀)儀器(圖19)上有穿越輻射探測(cè)器、飛行時(shí)間計(jì)數(shù)器、硅微條探測(cè)器和電磁能量探測(cè)器，有一層是中國(guó)航天部所做的磁鐵。還有環(huán)形切倫科夫計(jì)數(shù)器，通常用在加速器上，非常精密，要完好地把它送到天上。送到天上的第一個(gè)困難，是起飛的時(shí)候震蕩非常非常大;第二，在天上，白天和晚上的溫差非常非常大，所以一定要控制溫度。第三，更重要的事情是，到了天上以后，就不知道有沒(méi)有壞，不能停下來(lái)派一個(gè)人上去維修。這是不可能的。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)第一次可以精確測(cè)量電荷(量)、能量、動(dòng)量，或者剛度。剛度等于動(dòng)量除以電荷(量)，電荷就是(元素在)周期表上的位置。國(guó)際空間站每93 min繞地球一周，地球每年繞太陽(yáng)一周，所以國(guó)際空間站隨時(shí)隨地溫度變化是很大的。因而熱控制系統(tǒng)(圖20)就是保證AMS運(yùn)行的最重要設(shè)計(jì)，這個(gè)設(shè)計(jì)由山東大學(xué)的程林教授所主持，并由美國(guó)航天局，歐洲航天局，還有我所在的麻省理工學(xué)院協(xié)助。航天器繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)，信號(hào)傳到美國(guó)休斯敦，再由休斯敦傳到歐洲核子中心。轉(zhuǎn)一圈93 min，相當(dāng)于45 min左右的白天，45 min左右的夜晚。AMS儀器所受到的熱量包括太陽(yáng)熱量、大氣反射的熱量、地球反射的熱量，白天晚上，即每45 min，溫度變化是30度。山東大學(xué)熱控制系統(tǒng)是我們這個(gè)實(shí)驗(yàn)最重要的儀器，現(xiàn)在已經(jīng)7年了，它要長(zhǎng)期保持儀器的溫度穩(wěn)定在±3度之內(nèi)。

山東大學(xué)在AMS熱控制系統(tǒng)中具體負(fù)責(zé):

– 設(shè)計(jì)主散熱板;

– 熱控制系統(tǒng)、飛行件和驗(yàn)證件的設(shè)計(jì)、分析、加工、集成和測(cè)試;

– 在歐洲宇航局進(jìn)行AMS的熱真空測(cè)試(圖21);

– 負(fù)責(zé)AMS熱控制系統(tǒng)運(yùn)行;

– 記錄和監(jiān)控AMS在國(guó)際空間站上的運(yùn)行情況;

– 在山東大學(xué)持續(xù)進(jìn)行AMS的熱學(xué)分析;

這些長(zhǎng)期的獨(dú)有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)對(duì)中國(guó)載人航天是很重要的，是唯一的，別人沒(méi)有的。

圖19 AMS(阿爾法磁譜儀)儀器

圖20 熱控制系統(tǒng)

圖21 熱控制系統(tǒng)在歐洲宇航局進(jìn)行熱真空測(cè)試

這個(gè)技術(shù)為什么重要:除了我們的實(shí)驗(yàn)以外，將來(lái)人類走向太空，第一步在月球上建立基地，第二步是火星探測(cè)。在火星上，白天和晚上的溫度差100度，來(lái)回需要3年。如果不能控制溫度的話，去不成，也不可能回來(lái)。100年以前，從山東到美國(guó)，坐船的話要兩個(gè)月，現(xiàn)在只有十幾天。所以再過(guò)100年，我猜想，到月球或者到星際，可能是件比較容易的事情。人只要有好奇心，是永遠(yuǎn)不會(huì)停止向前的。但向前所需要的，重要的，制作熱控制系統(tǒng)(圖22)的經(jīng)驗(yàn)，只有在山東大學(xué)才有。

這個(gè)技術(shù)為什么重要:除了我們的實(shí)驗(yàn)以外，將來(lái)人類走向太空，第一步在月球上建立基地，第二步是火星探測(cè)。在火星上，白天和晚上的溫度差100度，來(lái)回需要3年。如果不能控制溫度的話，去不成，也不可能回來(lái)。100年以前，從山東到美國(guó)，坐船的話要兩個(gè)月，現(xiàn)在只有十幾天。所以再過(guò)100年，我猜想，到月球或者到星際，可能是件比較容易的事情。人只要有好奇心，是永遠(yuǎn)不會(huì)停止向前的。但向前所需要的，重要的，制作熱控制系統(tǒng)(圖22)的經(jīng)驗(yàn)，只有在山東大學(xué)才有。

AMS的尺寸是5 m×4 m×3 m，重7.5 t。美國(guó)宇航局的人跟我說(shuō)，上天的重量，是應(yīng)該按黃金來(lái)計(jì)算的，那就等于用了7.5 t的黃金。5月16日起飛，之后傳來(lái)的照片上有兩個(gè)宇航員出艙。宇航員出艙是非常危險(xiǎn)的，所以通常一定有兩個(gè)人。他們出艙與我們沒(méi)有關(guān)系，是維修空間站。我非常不希望他們碰我們?nèi)魏蔚臇|西。

熱控制系統(tǒng)的運(yùn)行:從AMS到空間站起，山東大學(xué)負(fù)責(zé)熱控制系統(tǒng)的運(yùn)行，并在山東大學(xué)進(jìn)行在軌數(shù)據(jù)分析。根據(jù)現(xiàn)在美國(guó)的法令，美國(guó)的知識(shí)是不能傳給中國(guó)的。于是我就說(shuō)，這個(gè)儀器不是美國(guó)宇航局的，是我們的儀器。他們說(shuō)法令就是法令。最后商量的結(jié)果是麻省理工學(xué)院派3位科學(xué)家做翻譯，把山東大學(xué)熱控制系統(tǒng)所發(fā)出的指令傳達(dá)到美國(guó)宇航局航天中心。

圖22 在空間站上的熱控制系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)的第一個(gè)目標(biāo)是尋找宇宙中暗物質(zhì)的來(lái)源。宇宙中大約有90%的物質(zhì)是看不見的，所以稱作暗物質(zhì)。怎樣尋找暗物質(zhì)?第一個(gè)關(guān)鍵字:它是看不見的。暗物質(zhì)用(來(lái)表示，碰撞的時(shí)候變成能量，能量變成質(zhì)量，變成正電子和反質(zhì)子，可以被AMS探測(cè)到。與此同時(shí)，普通的宇宙線碰撞以后也可以產(chǎn)生正電子和反質(zhì)子，被AMS接受。所以如果暗物質(zhì)湮滅產(chǎn)生多余的正電子和反質(zhì)子，可以被AMS精確測(cè)量。在AMS實(shí)驗(yàn)以前，全球也有很多做電子、正電子精密測(cè)量的實(shí)驗(yàn)，但數(shù)據(jù)的誤差非常大，根本分辨不出來(lái)是怎么回事。這是因?yàn)闇y(cè)量正電子和電子非常困難(圖23)。AMS測(cè)量正電子和電子的最新結(jié)果是正電子和電子的流強(qiáng)不同，它們隨能量的變化也不同(圖24)。這就非常奇怪，可以想一想為什么:因?yàn)橛钪媸侵行缘摹?/p>

圖23 AMS之前正電子和電子測(cè)量結(jié)果

數(shù)據(jù)很多，2 810萬(wàn)個(gè)電子，190萬(wàn)個(gè)正電子。(正電子)它的特性，不需要任何理論就能看出來(lái)。在能量很低的時(shí)候，數(shù)據(jù)與宇宙線碰撞模型的計(jì)算是符合的;在能量為80億eV以上，正電子能譜是平的;300億eV以后，正電子能譜再次上升;到了3 000億eV時(shí)，達(dá)到最高值;之后正電子能譜快速地下降。很難解釋。所有物理現(xiàn)象都應(yīng)該是一個(gè)很均勻的分布，是很自然的，但正電子是不一樣的。但正電子能譜與質(zhì)量為12 000億eV的暗物質(zhì)模型是完全符合的(圖25)。

圖24 AMS測(cè)量正電子和電子最新結(jié)果

圖25 正電子能譜與質(zhì)量為12 000億eV的暗物質(zhì)模型的關(guān)系

但這個(gè)實(shí)驗(yàn)到現(xiàn)在為止誤差還是很大，大概還要做10年的時(shí)間才能把高能部分搞清楚，因?yàn)楦吣懿糠謹(jǐn)?shù)據(jù)非常非常少。所以雖然現(xiàn)在的結(jié)果與暗物質(zhì)是符合的，但還不能證明暗物質(zhì)存在。

(未完待續(xù))