太空神探——阿爾法磁譜儀

文|高 峰

太空神探
——阿爾法磁譜儀

文|高 峰

2011年5月19日，美國(guó)“奮進(jìn)”號(hào)航天飛機(jī)宇航員完成了升空以來(lái)的首要任務(wù)——將名為“阿爾法磁譜儀2”的太空粒子探測(cè)器安裝在國(guó)際空間站上。今后，該磁譜儀將伴隨國(guó)際空間站的有生之年，持續(xù)觀測(cè)太空中的反物質(zhì)和暗物質(zhì)。

阿爾法磁譜儀的外形是一個(gè)圓柱形磁鐵，曾于1998年搭載航天飛機(jī)進(jìn)入太空，如今它又被附加了一些用于檢測(cè)宇宙射線的新儀器。這項(xiàng)花費(fèi)高達(dá)20億美元的實(shí)驗(yàn)，旨在搜索宇宙中星際氣體、恒星和行星由反物質(zhì)構(gòu)成的區(qū)域。阿爾法磁譜儀檢測(cè)投射到地球上的宇宙射線敏感度是前所未有的，它將獲得比我們想象中更為可靠的科學(xué)數(shù)據(jù)。

參與阿爾法磁譜儀科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的科學(xué)家來(lái)自全球16個(gè)國(guó)家和地區(qū)的56家科研機(jī)構(gòu)，這一項(xiàng)目也被認(rèn)為是繼人類基因組計(jì)劃、國(guó)際空間站計(jì)劃、強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)計(jì)劃之后的又一個(gè)大型國(guó)際科技合作項(xiàng)目。阿爾法磁譜儀的主要部件完工于歐洲和亞洲，其中中國(guó)科學(xué)家對(duì)項(xiàng)目的完成作出了決定性貢獻(xiàn)。

檢測(cè)宇宙射線

阿爾法磁譜儀還將獲得來(lái)自太陽(yáng)和超新星、伽馬射線爆發(fā)等宇宙射線的能量、電荷和組成成分的可靠數(shù)據(jù)，除了檢測(cè)較重的反物質(zhì)原子核之外，這些數(shù)據(jù)還將成為某個(gè)宇宙區(qū)域存在反物質(zhì)的確鑿證據(jù)。進(jìn)行檢測(cè)最理想的地方是太空，因?yàn)槟抢锏挠钪嫔渚€不會(huì)受到地球大氣層的影響和破壞。根據(jù)“宇宙大爆炸”假說(shuō)，地球所在的宇宙是在約140億年前由一個(gè)非常小的點(diǎn)爆炸而形成，宇宙在產(chǎn)生物質(zhì)的同時(shí)，也產(chǎn)生了反物質(zhì)。兩者數(shù)量大體相當(dāng)，其中物質(zhì)多了一點(diǎn)點(diǎn)。

盡管目前物質(zhì)的存在顯而易見(jiàn)，但反物質(zhì)存在的證據(jù)卻僅為實(shí)驗(yàn)室觀測(cè)到的稍縱即逝的極微量反粒子?？茖W(xué)家認(rèn)為，反物質(zhì)無(wú)法在地球環(huán)境中存在，因?yàn)橐坏┯龅降厍蛏系奈镔|(zhì)，兩者將湮滅，不過(guò)反物質(zhì)在太空中可能存在。因此，磁譜儀團(tuán)隊(duì)希望通過(guò)磁譜儀在太空中的觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)反物質(zhì)和暗物質(zhì)存在的蛛絲馬跡，進(jìn)而探索是否存在反宇宙。

反物質(zhì)和暗物質(zhì)很令科學(xué)家頭痛——從理論上講，它們應(yīng)當(dāng)存在但現(xiàn)實(shí)中又找不到它們存在的真憑實(shí)據(jù)。為求突破，在諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、美籍華人丁肇中的領(lǐng)導(dǎo)下，16個(gè)國(guó)家和地區(qū)的研究人員開(kāi)始了尋找這兩種神秘物質(zhì)的征程。他們進(jìn)行研究的主要工具就是阿爾法磁譜儀。

阿爾法磁譜儀就像人類派往太空的神探，目的就是捕捉這兩種神秘物質(zhì)的蛛絲馬跡。它的主要本領(lǐng)是能夠探測(cè)到太空中“流竄”的粒子。這一本領(lǐng)基于磁譜儀強(qiáng)大而特殊的磁場(chǎng)。我們知道，帶電粒子進(jìn)入磁場(chǎng)后軌跡會(huì)發(fā)生變化，不同帶電粒子的軌跡變化也不同，而不帶電的粒子軌跡則不會(huì)發(fā)生變化，因而觀測(cè)粒子進(jìn)入這一磁場(chǎng)后軌跡是否變化，變化程度有什么不同，就可以推知這是何種粒子。

與天文望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)物質(zhì)發(fā)出的可見(jiàn)光和電磁波不同，磁譜儀直接觀測(cè)粒子本身。因而磁譜儀能夠發(fā)現(xiàn)天文望遠(yuǎn)鏡無(wú)法發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)，這就是暗物質(zhì)和反物質(zhì)。

反物質(zhì)在哪兒呢

我們已知的物質(zhì)是正物質(zhì)，它是由原子組成的，原子是由帶正電的質(zhì)子和帶負(fù)電的電子以及中性的中子組成的。與此相反，由帶負(fù)電的質(zhì)子和帶正電的電子組成的物質(zhì)就是反物質(zhì)。正物質(zhì)和反物質(zhì)相遇則會(huì)產(chǎn)生爆炸，釋放出大量能量。

為什么我們現(xiàn)在找不到反物質(zhì)呢？科學(xué)家推測(cè)，一種可能性是反物質(zhì)存在于宇宙的另外一部分。那里的一切都是由反物質(zhì)組成的，由于反物質(zhì)發(fā)射出的可見(jiàn)光和其他電磁波與正物質(zhì)發(fā)出的沒(méi)有什么區(qū)別，因而我們用天文望遠(yuǎn)鏡即使看到它們，也無(wú)法斷定它們是反物質(zhì)。另一種可能性是，宇宙誕生之初，正物質(zhì)和反物質(zhì)相遇相互毀滅后，多出的那一點(diǎn)點(diǎn)正物質(zhì)構(gòu)成了我們的星系、恒星、行星和包括人類在內(nèi)的各種生物，我們找不到反物質(zhì)的原因是反物質(zhì)都消失了。

暗物質(zhì)是宇宙中看不見(jiàn)的物質(zhì)，也就是說(shuō)沒(méi)有發(fā)出可見(jiàn)光和其他電磁波，因而用天文望遠(yuǎn)鏡就看不到它們。但暗物質(zhì)能夠產(chǎn)生萬(wàn)有引力，對(duì)可見(jiàn)的物質(zhì)產(chǎn)生作用。根據(jù)現(xiàn)有的假說(shuō)和觀察，科學(xué)家估計(jì)暗物質(zhì)能量占宇宙所有物質(zhì)總量的90%以上。暗物質(zhì)到底是什么？是否包含反物質(zhì)？它在宇宙間的分布情況如何……這些都需要我們?nèi)ヌ剿鳌?/p>

命運(yùn)多舛的研制過(guò)程

1998年6月2日，“阿爾法磁譜儀1”隨美國(guó)“發(fā)現(xiàn)”號(hào)航天飛機(jī)升空開(kāi)始科學(xué)探索，但并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)反物質(zhì)和暗物質(zhì)。這一項(xiàng)目被中國(guó)兩院院士評(píng)為1998年世界十大科技成果之一?！鞍柗ù抛V儀1”的主要結(jié)構(gòu)以及關(guān)鍵部分——永磁體是由中國(guó)科學(xué)家研制的。

后來(lái)，科學(xué)家開(kāi)始研制“阿爾法磁譜儀2”。它原計(jì)劃于2004年由美國(guó)航天飛機(jī)送入太空，但其行程因2003年“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)失事被一拖再拖。在此期間，以丁肇中為首的科學(xué)家不斷對(duì)“阿爾法磁譜儀2”進(jìn)行改進(jìn)，其中曾嘗試用超導(dǎo)磁體代替永磁體。盡管這種方法可以產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場(chǎng)，但超導(dǎo)磁體需要液氦冷卻。由于在太空中無(wú)法補(bǔ)充液氦，因而利用這種方法制成的磁譜儀壽命只有3年。2011年2月，“阿爾法磁譜儀2”曾運(yùn)至荷蘭諾德維克歐洲航天局研究和技術(shù)中心進(jìn)行模擬空間測(cè)試。測(cè)試后決定仍用永磁體，不用超導(dǎo)體。這樣可以使磁譜儀的使用壽命延長(zhǎng)到18~20年。

幾十年來(lái)，物理學(xué)家提出過(guò)各種方案企圖將磁譜儀送入太空，但由于無(wú)法制造一個(gè)可以在太空運(yùn)行的磁鐵而未能如愿。中科院電工所利用多年來(lái)在研究核磁共振永磁體方面取得的豐富經(jīng)驗(yàn)，提出了完全利用釹鐵硼永磁材料的獨(dú)特設(shè)計(jì)方案。它的磁場(chǎng)強(qiáng)，漏磁非常小，磁二極矩幾乎為零，完全能滿足AMS實(shí)驗(yàn)在空間運(yùn)行的要求。丁肇中采用了電工所的設(shè)計(jì)方案，最終中國(guó)科學(xué)家和工程師研制出了人類送入太空的第一塊磁鐵，使物理學(xué)家?guī)资陙?lái)的夢(mèng)想成為現(xiàn)實(shí)。

阿爾法磁譜儀還能對(duì)宇宙中其他各種同位素的相對(duì)豐度進(jìn)行精確的測(cè)量。這些測(cè)量結(jié)果將會(huì)回答宇宙論和天體物理學(xué)中的許多重大問(wèn)題。作為人類送入太空的第一個(gè)磁譜儀，這個(gè)實(shí)驗(yàn)很可能會(huì)有意外的重大發(fā)現(xiàn)。因此，阿爾法磁譜儀引起了世界各國(guó)科學(xué)家的極大興趣。它是目前在國(guó)際空間站上唯一計(jì)劃實(shí)施的大型科學(xué)實(shí)驗(yàn)。