我所經(jīng)歷的現(xiàn)代物理及體會(huì)(四)

丁肇中

(麻省理工學(xué)院，馬薩諸塞州 02179-4307，美國)

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

第二個(gè)目標(biāo)：精確測(cè)量宇宙線。AMS有7個(gè)探測(cè)器，對(duì)宇宙線的各種原子核進(jìn)行精確的測(cè)量。宇宙線有2種：初級(jí)宇宙線和次級(jí)宇宙線。初級(jí)宇宙線就是很原始的宇宙線，比方說質(zhì)子，氦，碳，氧……產(chǎn)生以后，在宇宙中飛行幾百萬年，被AMS探測(cè)到。初級(jí)宇宙線從他們的起源一直傳播到AMS。所以，初級(jí)宇宙線攜帶了關(guān)于他們起源和傳播的信息。

在AMS之前，過去100年來全球測(cè)量質(zhì)子流強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)最好的結(jié)果仍具有很大的誤差，相互之間不一致。這限制了對(duì)宇宙線的認(rèn)識(shí)。有很多不一樣的結(jié)果，就意味著任何理論都可以符合。AMS采集了3億個(gè)結(jié)果，(在2 000億eV前)符合理論預(yù)測(cè)的結(jié)果，但到2 000億eV之后就不一樣了，有新的現(xiàn)象存在。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和理論預(yù)測(cè)不一樣，推翻了幾十年來的傳統(tǒng)理論(圖27)。

圖27 AMS質(zhì)子流強(qiáng)實(shí)驗(yàn)新結(jié)果

在我們之前，測(cè)量初級(jí)宇宙線(氦，碳、氧)的結(jié)果沒有一個(gè)清楚的規(guī)律。但我們的結(jié)果非常奇怪，AMS初級(jí)宇宙線的測(cè)量結(jié)果是，氦、碳、氧隨著剛度的增加發(fā)生完全相同的變化。氦測(cè)了9 000萬個(gè)數(shù)據(jù)，碳840萬個(gè)數(shù)據(jù)，氧700萬個(gè)數(shù)據(jù)，量是很大的(圖28)。

圖28 AMS初級(jí)宇宙線的測(cè)量結(jié)果

同時(shí)有一個(gè)現(xiàn)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(jié)果。沒有任何一個(gè)結(jié)果和以前的結(jié)果是一樣的，沒有任何一個(gè)結(jié)果和理論推測(cè)是一樣的。用中國話說，叫“天下大亂”了。

除了初級(jí)宇宙線以外，還有次級(jí)宇宙線(鋰，鈹，硼…)。次級(jí)宇宙線是由初級(jí)宇宙線和星際物質(zhì)碰撞產(chǎn)生的，所以次級(jí)宇宙線提供了宇宙線傳播過程和星際物質(zhì)的特性。鋰測(cè)了190萬個(gè)數(shù)據(jù)，鈹90萬個(gè)數(shù)據(jù)，硼260萬個(gè)數(shù)據(jù)。次級(jí)宇宙線(鋰、鈹和硼)隨著剛度具有相同的行為，而且他們?cè)? 000億伏的剛度以后也都發(fā)生相同的變化。但是，次級(jí)宇宙線和初級(jí)宇宙線隨剛度發(fā)生不同的變化(圖29)，這是想象不到的結(jié)果。

圖29 次級(jí)宇宙線和初級(jí)宇宙線隨剛度發(fā)生的變化

“碳-氮-氧循環(huán)”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(jiǎng)。

“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(xué)家測(cè)量在太陽系內(nèi)碳、氮、氧元素的比例為：氮/氧=0.17，碳/氧=0.54。AMS 測(cè)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(zhì)子、正電子和反質(zhì)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(jù)測(cè)量，隨著能量的增加，質(zhì)子和反質(zhì)子的能譜具有相同的行為(圖30)。如果大家認(rèn)為反質(zhì)子是質(zhì)子碰撞的產(chǎn)物，就很難想象這種結(jié)果。

最出乎意料的結(jié)果：正電子、反質(zhì)子和質(zhì)子的能譜是一樣的，但是反質(zhì)子和質(zhì)子的質(zhì)量比正電子的質(zhì)量大2000倍。這和地面上的經(jīng)驗(yàn)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(gè)國際會(huì)議，邀請(qǐng)了世界上最有名的科學(xué)家來討論這個(gè)結(jié)果，到現(xiàn)在為止，還沒有人能解釋。

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

圖30 AMS測(cè)量隨著能量的增加，質(zhì)子和反質(zhì)子的能譜行為

圖31 AMS測(cè)量的正電子、反質(zhì)子和質(zhì)子的能譜

· AMS暗物質(zhì)論文

· 發(fā)現(xiàn)重力波(2017年獲諾貝爾獎(jiǎng))

· 發(fā)現(xiàn)117號(hào)元素

能看出，AMS已經(jīng)開始為人類的知識(shí)做出重要貢獻(xiàn)。

AMS的另一個(gè)目標(biāo)是尋找由反物質(zhì)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(yīng)該有相同數(shù)量的物質(zhì)與反物質(zhì)。過去50年，沒有實(shí)驗(yàn)在太空中精確地尋找到反物質(zhì)。所以，理論物理學(xué)家認(rèn)為，對(duì)稱性是破壞的，對(duì)稱性理論是錯(cuò)誤的，反物質(zhì)在宇宙中是不存在的。

正因如此，過去50年大家都在找對(duì)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(gè)事例，測(cè)量到這個(gè)反氦-4的動(dòng)量=32.6 ± 2.5 GeV/c，電荷=-2.05±0.05。(現(xiàn)觀測(cè)的)所有氦的電荷都是正的，只有它是負(fù)的。它的質(zhì)量=3.81±0.29 GeV/c2，而4He質(zhì)量=3.73 GeV/c2，質(zhì)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(gè)氦數(shù)據(jù)中，只有1個(gè)反氦。為了確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，現(xiàn)在正在對(duì)探測(cè)器進(jìn)行精確的驗(yàn)證。

我們測(cè)量的正電子的結(jié)果和暗物質(zhì)的理論是符合的，但是要完全證明找到暗物質(zhì)，還需要幾年的時(shí)間。宇宙線的各種原子核的能量分布，都與現(xiàn)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(shí)。

但AMS最重要的結(jié)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(xiàn)象。這才叫“向前走”。

我剛拿到物理博士學(xué)位的時(shí)候是上世紀(jì)60年代，那時(shí)候最新的儀器是美國300億eV的質(zhì)子加速器。根據(jù)專家的意見，(原定目標(biāo))是了解原子核力的來源。實(shí)際發(fā)現(xiàn)是2種中微子、時(shí)間對(duì)稱破缺、J粒子；70年代，美國4 000億eV的質(zhì)子加速器，原來是想找中微子，實(shí)際上發(fā)現(xiàn)了第5種夸克、第6種夸克；

上世紀(jì)70年代，美國60億正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)，原來的目標(biāo)是量子電動(dòng)力學(xué)，實(shí)際的發(fā)現(xiàn)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(fù)電子對(duì)撞機(jī)，原來的目標(biāo)是第6種夸克(實(shí)際的發(fā)現(xiàn)是膠子(有中國科學(xué)家參與))；2000年，日本地下實(shí)驗(yàn)室，原來的目標(biāo)是質(zhì)子壽命(實(shí)際的發(fā)現(xiàn)是中微子有質(zhì)量)；哈伯望遠(yuǎn)鏡，原來的目標(biāo)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(biāo)與實(shí)際發(fā)現(xiàn)

科學(xué)是多數(shù)服從少數(shù)，只有少數(shù)人把多數(shù)人的觀念推翻以后，科學(xué)才能向前發(fā)展。因此，專家評(píng)審并不是絕對(duì)有用的。因?yàn)?，專家評(píng)審是依靠現(xiàn)有的知識(shí)，而科學(xué)的發(fā)展是推翻現(xiàn)有的知識(shí)。所以受到別人的反對(duì)是很好的事情。

剛才已經(jīng)說過了，現(xiàn)在再來總結(jié)一下山東大學(xué)和AMS：

(1) 山東大學(xué)現(xiàn)在主要工作合作者：美國宇航局、美國麻省理工學(xué)院。麻省理工學(xué)院現(xiàn)在有大約50位科學(xué)家(參與實(shí)驗(yàn))。

(2) 程林教授主要負(fù)責(zé)熱控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主管AMS整個(gè)熱控制系統(tǒng)?？臻g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(tǒng)是最主要、最關(guān)鍵的儀器，要長期保持AMS儀器的溫度穩(wěn)定在度。

(3)AMS主要團(tuán)隊(duì)有：

1) 德國亞琛大學(xué)、卡爾斯魯厄大學(xué)

2) 中國山東大學(xué)、航天部、中山大學(xué)、東南大學(xué)、電工所

3) 意大利佩魯賈大學(xué)、羅馬大學(xué)、特倫托大學(xué)、博洛尼亞大學(xué)、比薩大學(xué)等

4) 美國宇航局休斯頓航天中心

5) 美國麻省理工學(xué)院

6) 臺(tái)灣中央研究院、中央大學(xué)

7) 中國科學(xué)院高能所

8) 瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)

9) 西歐核子中心

10) 西班牙國家核子物理研究中心CIEMAT

這個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)工程上的意義在于建造載人登月、登火星的熱控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。希望山東大學(xué)和世界上知名的學(xué)校和航天機(jī)構(gòu)繼續(xù)合作，對(duì)人類認(rèn)識(shí)宇宙的奧秘繼續(xù)做出重要的貢獻(xiàn)。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)是由16個(gè)國家花了20年的時(shí)間建成的。AMS是太空中唯一的磁譜儀，今后幾十年內(nèi)，不可能再有第二個(gè)磁譜儀。AMS所有的結(jié)果都是獨(dú)一無二的，改變了人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)。

我最后一個(gè)體會(huì)：自然科學(xué)的研究，是具有競(jìng)爭(zhēng)性的，只有第一，沒有第二。沒有人知道誰是第二個(gè)發(fā)現(xiàn)相對(duì)論的人。

2018.7.6 于山東大學(xué)

(本刊全文綜合編校，資料來源：山東大學(xué)物說新語)

致謝：本文在編校過程中得到了山東大學(xué)熱科學(xué)與工程研究中心孫鍥主任的熱情幫助和資產(chǎn)與實(shí)驗(yàn)室管理部胡蔓、物理學(xué)院曹曉習(xí)兩位老師的積極協(xié)助，在此謹(jǐn)致誠摯的感謝！