尋找“鏡面世界”計(jì)劃延緩

李　楊

盡管《科學(xué)》雜志報(bào)道稱，丁肇中領(lǐng)導(dǎo)的太空磁譜儀可能錯(cuò)失搭載航天飛機(jī)進(jìn)入太空的機(jī)會(huì)，但一位深度參與該項(xiàng)目的科學(xué)家說(shuō)“一切還是問(wèn)號(hào)”

“參與這個(gè)項(xiàng)目的科學(xué)家依然按部就班地在工作?！?/p>

早在3月中旬，一條有關(guān)華裔著名科學(xué)家丁肇中、以及其麾下成千上萬(wàn)科學(xué)家的新聞就在權(quán)威雜志《科學(xué)》上被報(bào)道：美國(guó)宇航局宣布，航天飛機(jī)已經(jīng)沒有空間用來(lái)搭載阿爾法磁譜儀了。

但現(xiàn)在，參與這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的中國(guó)科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院電工研究所超導(dǎo)磁體科學(xué)技術(shù)研究中心主任王秋良卻持相對(duì)樂觀的態(tài)度。他向本刊透露，目前一切仍在按原計(jì)劃進(jìn)行。各參與國(guó)的研究小組將在今年底把各自負(fù)責(zé)的部分送到位于瑞士日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心進(jìn)行測(cè)試和組裝，并將于2008年底運(yùn)到美國(guó)佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心，等待航天飛機(jī)的發(fā)射。

阿爾法磁譜儀是丁肇中領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)大型實(shí)驗(yàn)——“國(guó)際太空反物質(zhì)探索計(jì)劃”——的核心儀器。這項(xiàng)有自全球16個(gè)國(guó)家和地區(qū)的共同參與、價(jià)值15億美元的實(shí)驗(yàn)，旨在太空中搜尋反物質(zhì)、暗物質(zhì)和暗能量。

丁肇中領(lǐng)導(dǎo)的這個(gè)實(shí)驗(yàn)被認(rèn)為是本世紀(jì)初太空高能物理領(lǐng)域最重要的研究計(jì)劃。澳大利亞廣播公司的報(bào)道稱，由于預(yù)算緊張和航天飛機(jī)2010年退休的最后期限，阿爾法磁譜儀可能再次錯(cuò)失搭載航天飛機(jī)進(jìn)入太空的機(jī)會(huì)。目前，航天飛機(jī)剩余的日程安排已經(jīng)排滿，光運(yùn)送建設(shè)國(guó)際空間站所需要的桁架、能量模塊和實(shí)驗(yàn)室就已經(jīng)非常緊張。

尋找反物質(zhì)組成的世界

大爆炸學(xué)說(shuō)認(rèn)為，我們現(xiàn)在的宇宙是從約137億年前一個(gè)極小的點(diǎn)爆炸而來(lái)的，大爆炸產(chǎn)生了大量能量。由于能量與物質(zhì)可以相互轉(zhuǎn)化，大量的能量轉(zhuǎn)化成正物質(zhì)和反物質(zhì)。

按照這種理論，宇宙大爆炸時(shí)物質(zhì)和反物質(zhì)的數(shù)量是相等的，因此應(yīng)該存在一個(gè)反物質(zhì)組成的、與我們的世界相對(duì)應(yīng)的“鏡面世界”——但這個(gè)世界不能與我們的世界相遭遇，否則兩個(gè)世界將相互碰撞后全部湮滅而變成能量。

盡管反物質(zhì)早就在實(shí)驗(yàn)室制造出來(lái)，“但在過(guò)去的80年中，天文學(xué)家使用各種望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)太空，都沒能找到反物質(zhì)世界存在的有力證據(jù)?！敝锌圃簢?guó)家天文臺(tái)研究員李競(jìng)告訴本刊。于是，天文學(xué)家提出了一個(gè)自圓其說(shuō)的說(shuō)法，那就是起初的宇宙物質(zhì)和反物質(zhì)都存在，但正物質(zhì)比反物質(zhì)要多。所有的反物質(zhì)和正物質(zhì)相遇后化作能量湮滅掉了，只剩下多余的正物質(zhì)，就是現(xiàn)在的宇宙。

但包括丁肇中在內(nèi)的很多物理學(xué)家依然篤信“反物質(zhì)宇宙”的存在。

為了進(jìn)一步探索反物質(zhì)之謎，科學(xué)家通過(guò)兩種途徑探索反物質(zhì)的存在：一是在自然界中尋找反物質(zhì)，研究反物質(zhì)的自然狀態(tài)；二是在實(shí)驗(yàn)室中制造反物質(zhì)，從更多的角度研究反物質(zhì)。

1995年歐洲核子研究中心的科學(xué)家在世界上制成了第一批反物質(zhì)——反氫原子。1996年，美國(guó)費(fèi)米國(guó)立加速器實(shí)驗(yàn)室成功制造了7個(gè)反氫原子。此后，在實(shí)驗(yàn)室中制造反物質(zhì)的工作受到很多科學(xué)家的高度重視。2000年9月，在世界各地9個(gè)研究所、39名科學(xué)家通力合作下，歐洲核子研究中心成功制造出約5萬(wàn)個(gè)低能量狀態(tài)的反氫原子。這是人類首次在受控條件下大批量制造反物質(zhì)。參與研究的科學(xué)家說(shuō)，這是反物質(zhì)研究的“一個(gè)重要里程碑”。

1997年4月，一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)把科學(xué)家尋找反物質(zhì)的目光投向浩瀚的宇宙。美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室、西北大學(xué)和加州大學(xué)伯克利分校等五個(gè)著名研究機(jī)構(gòu)的科學(xué)家利用伽馬射線探測(cè)衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)，在銀河系上方約3500光年處有一個(gè)不斷噴射反物質(zhì)的反物質(zhì)源。它噴射出的反物質(zhì)在宇宙中形成了一個(gè)高達(dá)2940光年的“噴泉”。

科學(xué)家之所以認(rèn)為那是反物質(zhì)“噴泉”，是因?yàn)檎次镔|(zhì)相遇可釋放出巨大的能量和比普通可見光強(qiáng)25萬(wàn)倍的伽馬射線，但這畢竟是一個(gè)間接證據(jù)。為了“面對(duì)面”地研究反物質(zhì)，科學(xué)家想到直接“捕捉”反物質(zhì)。在地面，由于大氣干擾，幾乎不可能“捕捉”到反物質(zhì)，因此科學(xué)家把目光投向了太空。

兩代磁譜儀

1998年6月3日，由丁肇中領(lǐng)導(dǎo)的第一代阿爾法磁譜儀由美國(guó)“發(fā)現(xiàn)”號(hào)航天飛機(jī)送上太空。丁肇中在2006年9月16日舉行的中國(guó)科協(xié)年會(huì)上說(shuō)，“阿爾法磁譜儀-01號(hào)”在太空飛行了10天，發(fā)現(xiàn)了外太空中許多從未了解和想象不到的現(xiàn)象。例如：在靠近赤道的地區(qū)，正電子(與電子對(duì)應(yīng)的反物質(zhì))的數(shù)量為電子的4倍。

然而，僅僅10天的探測(cè)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。為了獲取更多、更有效的數(shù)據(jù)，科學(xué)家需要更大范圍、更長(zhǎng)時(shí)間的搜索。于是，丁肇中和他合作團(tuán)隊(duì)又開始了新一輪的工作——“阿爾法磁譜儀-02項(xiàng)目”?！犊茖W(xué)》雜志報(bào)道無(wú)法如期上太空的正是“阿爾法磁譜儀-02號(hào)”。

王秋良向本刊介紹了磁譜儀的工作原理。他說(shuō)，磁鐵使不同的帶電粒子有不同的偏轉(zhuǎn)方向，可以把正反物質(zhì)分開。具體說(shuō)就是，物質(zhì)和反物質(zhì)最大的不同在于電荷相反，將兩者放置在磁場(chǎng)里，當(dāng)正電荷向左轉(zhuǎn)時(shí)，負(fù)電荷則向右轉(zhuǎn)。如果探測(cè)器傳回地球的信息中顯示正常軌跡出現(xiàn)了不同的物質(zhì)，則試驗(yàn)的目的就達(dá)到了。

和1998年進(jìn)行的第一次太空反物質(zhì)實(shí)驗(yàn)相比，“阿爾法磁譜儀-02號(hào)”有兩點(diǎn)不同：一是磁譜儀工作時(shí)間長(zhǎng)，從第一次的10天延長(zhǎng)到計(jì)劃中的3年，收集的數(shù)據(jù)將大大增加；二是作為核心部件，磁譜儀中原來(lái)的永磁體將被超導(dǎo)磁鐵所替代。超導(dǎo)比永磁的磁場(chǎng)要提高8到9倍。

丁肇中曾在去年的科協(xié)年會(huì)上介紹，01號(hào)用來(lái)掌握磁體在太空運(yùn)作的基本技術(shù)；02號(hào)將用于尋找反物質(zhì)的存在。02號(hào)有30萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)讀出系統(tǒng)，650個(gè)微處理機(jī)，零下271度的超導(dǎo)磁鐵，其所有儀器均無(wú)任何經(jīng)驗(yàn)可借鑒，沒有任何以前的資料和數(shù)據(jù)可以參考。

可能再度延期

事實(shí)上，“阿爾法磁譜儀-02號(hào)”已不是第一次推遲發(fā)射了。王秋良說(shuō)，它原計(jì)劃準(zhǔn)備2005年發(fā)射。但美國(guó)航天飛機(jī)因事故削減了飛行架次，很多太空實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目因此被砍掉。幸運(yùn)的是，“阿爾法磁光儀-02號(hào)”的項(xiàng)目一直被保留著，但到底什么時(shí)候發(fā)射卻沒有確定下來(lái)。為爭(zhēng)取時(shí)間，丁肇中曾試圖請(qǐng)歐洲宇航局、俄羅斯宇航局幫助發(fā)射，但均未達(dá)成協(xié)議。

王秋良說(shuō)，丁肇中也曾設(shè)想把“阿爾法磁譜儀-02號(hào)”拿到中國(guó)發(fā)射。具體做法是，先用火箭以發(fā)射衛(wèi)星的方式把磁譜儀送上太空，再用俄羅斯的空間對(duì)接技術(shù)把磁譜儀吊到國(guó)際空間站上。01號(hào)磁譜儀的磁鐵是永磁的，總重只有3.5噸；但02號(hào)是超導(dǎo)裝置，重達(dá)7噸，中國(guó)的火箭需要加大運(yùn)載量才能實(shí)施，這樣要支付高昂的費(fèi)用。

為了說(shuō)服美國(guó)方面承擔(dān)把磁譜儀送入太空的國(guó)際義務(wù)，2006年9月，丁肇中組織了一個(gè)有各國(guó)科學(xué)家參與的展示活動(dòng)。這以后美國(guó)宇航局同意承擔(dān)發(fā)射任務(wù)，并計(jì)劃在2008年底實(shí)施。

據(jù)悉，美國(guó)宇航局目前仍在資助太空磁譜儀的整合工作。磁譜儀項(xiàng)目主管馬克?希思黎說(shuō)：“我必須聽從局長(zhǎng)的指導(dǎo)，他告訴我說(shuō)要繼續(xù)進(jìn)行下去。但你無(wú)法預(yù)知航天飛機(jī)的載運(yùn)清單會(huì)發(fā)生什么樣的變化。”至于磁譜儀能否如期上天，一位深度參與該項(xiàng)目的科學(xué)家說(shuō)，“一切還是問(wèn)號(hào)”。

也許有人要問(wèn)，為什么要如此費(fèi)力地去尋找反物質(zhì)，意義何在？丁肇中曾經(jīng)在北京國(guó)際會(huì)議中心舉行的一次報(bào)告中說(shuō)，其根本目的就是為了更深刻地了解、認(rèn)識(shí)這個(gè)宇宙?！耙苍S我們會(huì)發(fā)現(xiàn)意想不到的東西，但與原先想研究的東西毫無(wú)關(guān)系。”后來(lái)他又如此強(qiáng)調(diào)。

其實(shí)，一項(xiàng)重大科學(xué)突破問(wèn)世時(shí)，是很難估量它的應(yīng)用前景的。曾有一位貴婦人質(zhì)問(wèn)電的發(fā)現(xiàn)者法拉弟：“電有什么用？”法拉弟反問(wèn)道：“新生的嬰兒有什么用呢？”