我所經(jīng)歷的現(xiàn)代物理及體會(三)

丁肇中

(麻省理工學(xué)院，馬薩諸塞州02179-4307，美國)

諾貝爾物理獎獲得者丁肇中教授

5 自然科學(xué)的研究，是具有競爭性的，只有第一，沒有第二

第5個實驗，就是現(xiàn)在正在做的，國際空間站上的阿爾法磁譜儀實驗，做了快20年了，從1994年開始，將到2024以后。國際空間站是晚上除了月亮和金星以外最亮的“星”，長109 m，寬80 m，重490 t，造價大概是1 000億美金。這是20世紀、21世紀人類最大的工程。這個實驗(阿爾法磁譜儀實驗)是國際空間站上最大的實驗，也是首次由美國、中國(臺灣)、俄羅斯、芬蘭、法國、德國、意大利、瑞士等16個國家和地區(qū)在空間中的合作。中國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)。中國最大的貢獻有兩個。第一個是山東大學(xué)的熱控制系統(tǒng);還有一個是中國科學(xué)院航天部一院和美國麻省理工學(xué)院所做的磁鐵(圖18)。為什么這個磁鐵重要呢?因為大家都知道，指南針一頭向北一頭向南，假使把一個大磁鐵放到天上，一頭向北一頭向南，就沒辦法控制航天飛機了。這也是多少年來沒有人能把磁鐵放在天上的主要原因。后來這個被電工所、高能所、麻省理工學(xué)院、航天部一院用很簡單的辦法解決了。這個簡單的辦法花了40年時間才完成。1998年，刊登在《科技日報》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，裝有中國制造的巨大永磁鐵的阿爾法磁譜儀，首次搭乘美國發(fā)現(xiàn)號航天飛機升空”。這是人類第一次把很大很大的磁鐵放到天上。航天飛機沒有一點問題，證明我們的設(shè)計是對的。

圖18 中科院電工所、高能所、航天部一院、MIT合作的永久磁鐵

這個實驗有很多的國家參與，用的經(jīng)費很多。但是，我做實驗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，航天飛機“哥倫比亞”號爆炸，布什總統(tǒng)和美國政府認為航天飛機太過危險，應(yīng)該取消，也因此把空間站上所有實驗都取消了。所有人都服從美國政府的命令，唯一有不同意見的就是我。我說:你做這個決定是錯誤的，因為做空間站的目的是要做科學(xué)實驗。把空間站做好卻沒有科學(xué)實驗，就沒有什么意義了。美國的參議院同意我的說法，所以在2008年全體通過了一條法律:H.R.6063，要求美國政府專門為我們增加一班航天飛機，把我們的儀器送到空間站上。在美國，用國會命令政府做一個科學(xué)小實驗，這應(yīng)該還是第一次。在2008年奧巴馬競選總統(tǒng)的發(fā)言上也說，支持增加一班航天飛機把我們的儀器送到國際空間站。當(dāng)時美國的媒體大多數(shù)都有些說法，說政府的決定是錯誤的。

這是首次在太空中運行的大型天體物理實驗。所有的探測器都是我們發(fā)展的新技術(shù)。AMS(阿爾法磁譜儀)儀器(圖19)上有穿越輻射探測器、飛行時間計數(shù)器、硅微條探測器和電磁能量探測器，有一層是中國航天部所做的磁鐵。還有環(huán)形切倫科夫計數(shù)器，通常用在加速器上，非常精密，要完好地把它送到天上。送到天上的第一個困難，是起飛的時候震蕩非常非常大;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，就不知道有沒有壞，不能停下來派一個人上去維修。這是不可能的。

這個實驗第一次可以精確測量電荷(量)、能量、動量，或者剛度。剛度等于動量除以電荷(量)，電荷就是(元素在)周期表上的位置。國際空間站每93 min繞地球一周，地球每年繞太陽一周，所以國際空間站隨時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運行的最重要設(shè)計，這個設(shè)計由山東大學(xué)的程林教授所主持，并由美國航天局，歐洲航天局，還有我所在的麻省理工學(xué)院協(xié)助。航天器繞地球運轉(zhuǎn)，信號傳到美國休斯敦，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)是我們這個實驗最重要的儀器，現(xiàn)在已經(jīng)7年了，它要長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)中具體負責(zé):

– 設(shè)計主散熱板;

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

– 在歐洲宇航局進行AMS的熱真空測試(圖21);

– 負責(zé)AMS熱控制系統(tǒng)運行;

– 記錄和監(jiān)控AMS在國際空間站上的運行情況;

– 在山東大學(xué)持續(xù)進行AMS的熱學(xué)分析;

這些長期的獨有的知識和經(jīng)驗對中國載人航天是很重要的，是唯一的，別人沒有的。

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)在歐洲宇航局進行熱真空測試

這個技術(shù)為什么重要:除了我們的實驗以外，將來人類走向太空，第一步在月球上建立基地，第二步是火星探測。在火星上，白天和晚上的溫度差100度，來回需要3年。如果不能控制溫度的話，去不成，也不可能回來。100年以前，從山東到美國，坐船的話要兩個月，現(xiàn)在只有十幾天。所以再過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，是永遠不會停止向前的。但向前所需要的，重要的，制作熱控制系統(tǒng)(圖22)的經(jīng)驗，只有在山東大學(xué)才有。

這個技術(shù)為什么重要:除了我們的實驗以外，將來人類走向太空，第一步在月球上建立基地，第二步是火星探測。在火星上，白天和晚上的溫度差100度，來回需要3年。如果不能控制溫度的話，去不成，也不可能回來。100年以前，從山東到美國，坐船的話要兩個月，現(xiàn)在只有十幾天。所以再過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，是永遠不會停止向前的。但向前所需要的，重要的，制作熱控制系統(tǒng)(圖22)的經(jīng)驗，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。美國宇航局的人跟我說，上天的重量，是應(yīng)該按黃金來計算的，那就等于用了7.5 t的黃金。5月16日起飛，之后傳來的照片上有兩個宇航員出艙。宇航員出艙是非常危險的，所以通常一定有兩個人。他們出艙與我們沒有關(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)的運行:從AMS到空間站起，山東大學(xué)負責(zé)熱控制系統(tǒng)的運行，并在山東大學(xué)進行在軌數(shù)據(jù)分析。根據(jù)現(xiàn)在美國的法令，美國的知識是不能傳給中國的。于是我就說，這個儀器不是美國宇航局的，是我們的儀器。他們說法令就是法令。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)出的指令傳達到美國宇航局航天中心。

圖22 在空間站上的熱控制系統(tǒng)

實驗的第一個目標(biāo)是尋找宇宙中暗物質(zhì)的來源。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)?第一個關(guān)鍵字:它是看不見的。暗物質(zhì)用(來表示，碰撞的時候變成能量，能量變成質(zhì)量，變成正電子和反質(zhì)子，可以被AMS探測到。與此同時，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精確測量。在AMS實驗以前，全球也有很多做電子、正電子精密測量的實驗，但數(shù)據(jù)的誤差非常大，根本分辨不出來是怎么回事。這是因為測量正電子和電子非常困難(圖23)。AMS測量正電子和電子的最新結(jié)果是正電子和電子的流強不同，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:因為宇宙是中性的。

圖23 AMS之前正電子和電子測量結(jié)果

數(shù)據(jù)很多，2 810萬個電子，190萬個正電子。(正電子)它的特性，不需要任何理論就能看出來。在能量很低的時候，數(shù)據(jù)與宇宙線碰撞模型的計算是符合的;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，達到最高值;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

但這個實驗到現(xiàn)在為止誤差還是很大，大概還要做10年的時間才能把高能部分搞清楚，因為高能部分數(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))