丁肇中的最后一搏

明年底航天飛機(jī)將最后一次升空，它還肩負(fù)著丁肇中委托的一項(xiàng)重任：把搜尋反物質(zhì)星系的阿爾法磁譜儀送上國際空間站。它被稱作人類有史以來最昂貴的實(shí)驗(yàn)，也許是人類這幾十年探索宇宙另一面的最后機(jī)會(huì)。

在航天經(jīng)費(fèi)緊縮的今天，不知有沒有人想到1994年的好日子，那時(shí)國際空間站項(xiàng)目剛獲批準(zhǔn)，NASA的局長戈?duì)柖?Daniel S.Goldin)正在為它尋找一些“出位”的科學(xué)想法。有人告訴他，諾貝爾獎(jiǎng)得主丁肇中有意在太空中放一塊磁鐵來探測來自其他星球的反物質(zhì)。聽到這個(gè)消息后，戈?duì)柖≌f：“好，這個(gè)人在哪兒?我要立刻見他?！?/p>

丁肇中和戈?duì)柖〉膮f(xié)議結(jié)果，就是阿爾法磁譜儀(AMS)。1998年6月2日，AMS的原型機(jī)AMS-01搭乘“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機(jī)發(fā)射升空。它有一個(gè)面包圈形的磁鐵，收集了穿過磁鐵粒子的數(shù)據(jù)，同時(shí)地面控制中心也演練并且熟悉了操作命令和數(shù)據(jù)界面，測量了實(shí)驗(yàn)的背景值并且驗(yàn)證了AMS的熱模型。這次太空之旅為期只有10天，最大的目的是為下一次飛行打下基礎(chǔ)。

事情并不順利，2005年，運(yùn)送AMS的航天飛機(jī)飛行計(jì)劃被取消。自從“哥倫比亞號”2003年失事，航天飛機(jī)直到兩年多后才復(fù)飛，此后幾乎所有的飛行任務(wù)都是為了完成國際空間站的建設(shè)，而整個(gè)機(jī)群按計(jì)劃要在2010年退役，來不及送AMS上天了。

但現(xiàn)在籠罩在AMS上的陰霾似乎都消失了，新的AMS-02將在日內(nèi)瓦完成最終的組裝，并且預(yù)計(jì)會(huì)在2009年底運(yùn)抵位于美國佛羅里達(dá)的肯尼迪航天中心。據(jù)NASA的AMS12網(wǎng)站公布，其發(fā)射時(shí)間目前暫定為2010年7月29日。

丁肇中強(qiáng)勢催生AMS

14年來，AMS耗資達(dá)15億美元，被《紐約時(shí)報(bào)》稱為是“有史以來最昂貴的科學(xué)實(shí)驗(yàn)之一”。AMS的背后有來自16個(gè)國家56個(gè)研究機(jī)構(gòu)的500人團(tuán)隊(duì)。盛放重達(dá)7噸的AMS的“桌子”足可以停下一輛小型公共汽車。其086特斯拉的超強(qiáng)磁場是太陽黑子的5倍、地球磁場的17000倍。如果AMS不花一半的能量來抵消超出其自身范圍的磁場，那么要不了多久國際空間站的姿態(tài)就會(huì)無法保持靜止。

丁肇中的強(qiáng)勢保證了實(shí)驗(yàn)的最終落實(shí)。1976年丁肇中因?yàn)椤巴ㄟ^仔細(xì)地實(shí)驗(yàn)證明了當(dāng)時(shí)已知的3種夸克還不夠，存在第4種夸克”獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他自己說，當(dāng)實(shí)驗(yàn)和理論之間不相符的時(shí)候才是最有價(jià)值的，“物理學(xué)的進(jìn)步是建立在你摧毀其他人的認(rèn)識之上的”。

隨著丁肇中的聲名鵲起，他實(shí)驗(yàn)的規(guī)模也開始“水漲船高”。1983年，丁肇中領(lǐng)導(dǎo)著當(dāng)時(shí)世界上最大的物理學(xué)合作項(xiàng)目——位于歐洲核子中心大型電子一正電子對撞機(jī)(LEP)上探索電子和夸克本質(zhì)的L3實(shí)驗(yàn)。大約有500名物理學(xué)家參加了L3實(shí)驗(yàn)，其所雇傭的人數(shù)超過了大型電子一正電子對撞機(jī)上的任何一個(gè)其它實(shí)驗(yàn)。

丁肇中的領(lǐng)導(dǎo)風(fēng)格并不是完全民主的，但這使得他可以快速、果斷地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。丁肇中曾經(jīng)要求美國能源部升級大型電子一正電子對撞機(jī)實(shí)驗(yàn)，但美國能源部拒絕了他的要求。當(dāng)時(shí)丁肇中站了起來說：“我拒絕你們的拒絕?！?/p>

但丁肇中建造更大型實(shí)驗(yàn)的想法還是遭到了反對。涉及13個(gè)國家9。個(gè)研究機(jī)構(gòu)1000名科學(xué)家的超導(dǎo)超級對撞機(jī)(SSc)由于“內(nèi)部問題”在1991年宣告“破產(chǎn)”。緊接著，歐洲核子中心也拒絕了丁肇中將L3實(shí)驗(yàn)放到大型強(qiáng)子對撞機(jī)上的提案。這迫使丁肇中和他的緊密合作者不得不開始考慮一些更小型、更簡單的實(shí)驗(yàn)。在L3工作間隙的一次咖啡時(shí)間中，AMS的想法誕生了。最初的想法是一個(gè)參與人數(shù)不超過100人，可以放在一張桌子上的實(shí)驗(yàn)。

尋找另一個(gè)宇宙

AMS尋求的是粒子物理學(xué)中一個(gè)尚未被解決問題的答案：為什么我們的宇宙絕大部分是由物質(zhì)而不是反物質(zhì)組成的?在宇宙大爆炸誕生的過程中，似乎存在一種神秘的機(jī)制，使得物質(zhì)受到垂青而反物質(zhì)則被打入了冷宮。

我們的世界是物質(zhì)的世界，物質(zhì)和反物質(zhì)相遇的時(shí)候就會(huì)湮滅變成光子，但如果在早期宇宙中有一些反物質(zhì)躲過了這場“肅清”運(yùn)動(dòng)，那么也許時(shí)至今日宇宙中還留有這些大爆炸的遺孤。證據(jù)就是找到反氦原子核，大爆炸以來任何已知的過程都無法產(chǎn)生它。如果有一個(gè)反氦原子核從AMS中央穿過了過去，那么它在強(qiáng)磁場作用下的彎曲軌跡，就能立刻揭示出它的質(zhì)量和電荷，讓人們認(rèn)出它。

反物質(zhì)從外表看上去和物質(zhì)沒有什么區(qū)別，因此天文學(xué)家無法僅僅通過觀測來區(qū)分某顆恒星乃至某個(gè)星系是否由反物質(zhì)組成的。只有AMS能做到這一點(diǎn)。假設(shè)反氦核的特殊軌跡最終出現(xiàn)在了AMS的數(shù)據(jù)中，這無疑將會(huì)是革命性的發(fā)現(xiàn)。因?yàn)檫@是一個(gè)信號，這個(gè)信號預(yù)示著在宇宙中的某個(gè)地方還有反物質(zhì)星系、反物質(zhì)恒星、反物質(zhì)行星乃至反物質(zhì)生命的存在。1998年的AMS-01探測到了數(shù)百萬個(gè)氦核，但是沒有反氦核。

除了搜尋反物質(zhì)星系，AMS還將檢驗(yàn)暗物質(zhì)的主流理論。在標(biāo)準(zhǔn)的宇宙學(xué)模型中，宇宙物質(zhì)的絕大多數(shù)是由暗物質(zhì)構(gòu)成的，它們占了宇宙物質(zhì)的89％，但它們的性質(zhì)至今未知。組成恒星、行星以及你我的質(zhì)子、電子和中子則占據(jù)了宇宙物質(zhì)的其余部分，它們和暗物質(zhì)之間僅僅通過引力發(fā)生相互作用。此外，AMS還將尋找奇異物質(zhì)，它們是由奇異夸克組成的超大質(zhì)量物質(zhì)。更好的了解奇異物質(zhì)，將幫助科學(xué)家研究微類星體和微型原初黑洞的蒸發(fā)，并且可以證明宇宙之初是否存在過小型黑洞。

“AMS使得我們第一次能以非常高的精度來測量超高能宇宙線，”丁肇中說。(999年使用AMS-01的觀測數(shù)據(jù)，給出了宇宙中反氦核和氦核流量之比的上限為100萬分之1，而AMS-02的靈敏度則能達(dá)到10億分之1，比先前的高出了1000倍。如果AMS-02最終沒有探測到反氦核，那么這就說明在10億秒差距(1秒差距·3.26光年)的范圍內(nèi)不存在反物質(zhì)星系，這基本上已經(jīng)這到了可觀測宇宙的邊緣。但是強(qiáng)大的探測能力能否實(shí)現(xiàn)，資金還是最大的問題。

飛往空間站的機(jī)翼

丁肇中本人的巨大影響力，以及他長期以來領(lǐng)導(dǎo)著的龐大粒子物理合作團(tuán)隊(duì)使得AMS絕處逢生。2008年的美國總統(tǒng)大選中甚至也打起了AMS牌，額外的一次航天飛機(jī)飛行給了美國佛羅里達(dá)州選民新的希望，因?yàn)楹教祜w機(jī)停飛就意味著許多人要為此失業(yè)。兩個(gè)總統(tǒng)候選人都為此做出了承諾，意大利外交部長甚至專門為此和當(dāng)時(shí)的美國國務(wù)卿賴斯打了招呼。2008年5月，美國國會(huì)為AMS撥款批準(zhǔn)了一次最后的額外飛行，任務(wù)編號為STS-134。

航天飛機(jī)將把AMS帶到國際空間站，和原型機(jī)AMS-01不同，它必須依賴國際空間站的強(qiáng)大電力。丁肇中經(jīng)常把AMS和高能粒子加速器相比較，AMS探測的粒子能量還要更高好幾個(gè)數(shù)量級。地上的加速器會(huì)使用整個(gè)城市規(guī)模的耗電量來“制造”粒子，通過碰撞“碾碎”粒子來了解粒子本身；AMS則通過探測來自深空的高能粒子來了解宇宙。世界上最強(qiáng)大的加速器，大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)中的粒子碰撞時(shí)的能量可達(dá)7萬億電子伏特，與之相比，宇宙射線的能量則高達(dá)1萬億億電子伏特或者更高。

對宇宙射線的探測需要強(qiáng)大的電力，這正是AMS鐘情國際空間站而非普通衛(wèi)星的原因之一。AMS和加速器一樣都會(huì)使用強(qiáng)磁場來偏折粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，并且用傳感器來跟蹤粒子的軌跡。這些傳感器會(huì)產(chǎn)生好幾萬億字節(jié)的數(shù)據(jù)，超級計(jì)算機(jī)根據(jù)這些數(shù)據(jù)來計(jì)算每個(gè)粒子的質(zhì)量、能量和電性。AMS產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量過大，無法傳回地球，只能在軌道上用自身由650個(gè)中央處理器組成的超級計(jì)算機(jī)處理。這臺超級計(jì)算機(jī)的耗能為2.5千瓦，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了普通的人造衛(wèi)星太陽能板所能提供的電力，但卻在國際空間站100千瓦電力供應(yīng)的范圍之內(nèi)。一旦被安裝到國際空間站上之后，AMS-02預(yù)期可以工作3—5年。

還有其他的儀器也在做著同樣的事情，例如意大利在人造衛(wèi)星上所進(jìn)行的反物質(zhì)探測和輕核天體物理載荷(PAME-LA)實(shí)驗(yàn)。它也搜尋了宇宙中的反氦核，但精度尚不足說明問題。PAMELA已經(jīng)上天，AMS-02還“躺”在家里。隨著時(shí)間的臨近，AMS即將迎來它“最后的戰(zhàn)役”，丁肇中和粒子物理學(xué)家們的傾力一搏也將見到分曉。