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"科学狂人" 丁肇中与空间站的贵宾

2011.09.17

新闻中心-中国网 news.china.com.cn  时间: 2011-05-24发表评论>>
经过16年的努力,以及15亿美元其他人提供的资金,美国宇航局和丁肇中展示成果的时候就要到来了。
丁肇中在布鲁克海文,正在展示他赢得了1976年诺贝尔物理学奖的研究成果。
“真正的发现是在现有的知识圈之外。”
“如果我们什么也不做,不去进行检测,那我们永远也不会知道真相是什么。”
——丁肇中
上周四,随着“奋进号”航天飞机升空的“阿尔法磁谱仪2号”(AMS-02)被送入国际空间站,开始其为期10年以上的宇宙反物质的探寻之旅,该国际科学项目的负责人、诺贝尔奖获得者丁肇中博士再度为世人瞩目。丁肇中缘何要历时17年,坚持实施这个备受争议、坎坷不断的AMS项目,他为此付出了何等努力?前不久的《自然》和《纽约时报》等媒体作了披露——
肯尼迪航天中心一个无尘室中,被一大群技术人员围绕着的巨大设备就是重达6.7吨的阿尔法磁谱仪,它将进入太空,承担起有史以来最雄心勃勃、最复杂的实验任务。这一实验如果成功,将帮助NASA在回答宇宙是由什么构成的这个问题上迈进一大步,并给国际空间站和著名的物理学家带来荣耀,但如果失败,也将给持反对意见者提供反对这一实验的证据。
被命名为阿尔法磁谱仪(AMS)的这一装置,其目的是为了探测太空中的高能宇宙射线粒子,寻找宇宙中的反物质。阿尔法磁谱仪也许还能给我们带来一些意外的惊喜。“真正的发现是在现有的知识圈之外,”去年8月间,丁肇中,这位70多岁的诺贝尔奖得主、麻省理工学院教授、宇宙射线探测项目负责人在欧洲粒子物理研究所的实验室里如此说道。
丁博士是一位科学“狂人”,他用一生的时间带领着一大批物理学家进行着物理学领域内的探索。1974年他发现了将彻底改变物理学的粒子,但因他花了很长时间对研究结果反复检验,希望找出更多的粒子,在这段时间里,另一个实验室也发现了这种粒子,于是最后丁肇中与美国科学家伯顿·里克特共享了1976年的诺贝尔物理学奖。
阿尔法磁谱仪的实验始于20世纪90年代初,当时尽管他在物理界的威望,丁博士却未能在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机实验中充分发挥作用,于是他将目光投向了太空。根据物理学原理,同等数量的物质,和它邪恶的双胞胎反物质,在互相接触的一瞬间,普通物质就会被湮灭,同时释放出能量,这种反物质应该是在宇宙大爆炸时产生的,这也是科学界长期以来的一个未解之谜。如果能够发现重于反氦的原子核,是否意味着在宇宙某个地方可能存在着反物质恒星甚至整个反物质星系呢?“但如果我们什么也不做,不去进行检测,那我们永远也不会知道真相是什么,”丁博士说道。
AMS命运多舛他始终坚持
“如果出现什么问题,我就是那个该承担责任的人,我所有的精力都放在了这件事上。”
——丁肇中
1994年,当时的美国宇航局局长丹·戈尔丁正在寻求有价值的科学构思,特别是能够让国际空间站扬名的东西,前苏联空间研究所负责人罗尔德·萨格戴夫向戈尔丁提到诺贝尔奖获得者、粒子物理学家丁肇中的一个想法,即:将磁铁运载到太空,检测对来自遥远恒星发出的粒子流,寻找反物质。“戈尔丁说‘好吧,这家伙在哪儿呢?我要立即见到他,’”萨格戴夫回忆道。
很快,丁博士有机会与丹·戈尔丁会面,他对戈尔丁先生说道,如果有一个以空间站为基础的宇宙射线探测器,他就可以进行这种测量。戈尔丁立刻被这个建议吸引住了,同意将磁谱仪安置在国际空间站。这一决定绕过了宇航局的正规同行审查程序,引起了一些宇宙射线物理学家的不满。这一计划吸引戈尔丁的部分原因是航天局不必出钱,大批资金来源于丁博士在国外的大批合作者,来自16个国家和地区的600名科学家,其中包括意大利、德国、俄罗斯、中国等。
1995年,当时在美国麻省理工学院任教授的丁肇中获得了戈尔丁的合作协议,美国宇航局同意他的阿尔法磁谱仪(AMS)在空间站里占据一席之地,并用航天飞机将它运载到空间站。该协议的部分内容包括,美国宇航局不必为阿尔法磁谱仪的建造买单,事实上,丁肇中从美国能源部和国外获得了大部分的资金。
丁肇中终于做到了他想要做的事情。1998年光谱仪样机建成,并搭载在同年6月的“发现号”航天飞机上试飞10天获得成功。经过13年的努力和15亿美元的投入,一个由来自16个国家和地区的物理学家组成的庞大科研团队已完成了阿尔法磁谱仪实验的大部分工作,只需最后的点睛之笔,实验就将圆满完成。但在2003年“哥伦比亚号”航天飞机解体,造成7名宇航员丧生的事故后,丁博士和阿尔法磁谱仪的命运急转直下,美国航空航天局宣布航天飞机时代结束,原定的2005年载运阿尔法磁谱仪进入太空的计划被取消。谈及当时的感受,丁肇中说,“那是我第一次在面对挫折时,感到自己有一种无能为力的感觉。”
2005年,丁博士开始为阿尔法磁谱仪的命运力争,应邀在美国参议院就美国科学发展现状发表讲话时,他利用了他的5分钟发言时间和9张幻灯片,宣讲了他的基础科学研究实验,令观众大为鼓舞,“他们很惊讶地听到,空间站也能为科研出大力。”丁博士回忆说。
在之后的几年里,一些强势的参议员,如阿拉斯加州的特德·史蒂文斯、佛罗里达州的比尔·纳尔逊和德克萨斯州的凯·贝利·赫切森对丁肇中的计划都表示出了极大的兴趣,他们有的从头到尾看完丁博士展示的幻灯片,有的参观了他在欧洲核子研究中心的研究项目。最后,美国国会命令美国航空航天局为丁博士的实验提供一架航天飞机。
“在奥巴马就职典礼后的三天,阿尔法磁谱仪又重新回到了航天飞机的载货单上,”丁博士说道。
2008年,在华盛顿五月花酒店的一间华丽的餐室内,丁肇中接受了纽约时报等重量级媒体记者的访问。他坐在一张椅子上,打开面前的笔记本电脑,里面有着大量的文件和图表,甚至还有纽约时报上表彰他过去成就的一些剪辑资料。“所有技术上的细节我都一清二楚,”他说,“如果出现什么问题,我就是那个该承担责任的人,我所有的精力都放在了这件事上。”丁博士说,在过去13年里的每一天,阿尔法磁谱仪都是他关注的唯一重点,在它身上丁倾注了全部的热情,也给他带来了许多的烦恼,除了1998年AMS-01号原型机被装载在发现号航天飞机上进行太空飞行时的那10天之外,当太空射线通过阿尔法磁谱仪的环形磁铁,收集着信息并传来太空粒子的数据时,丁肇中觉得自己得到了真正的放松。
发现宇宙大爆炸遗留下来的反物质是一个非常诱人的想法。但每次面对“我们将看到什么”、“阿尔法磁谱仪能否给天文学研究带来新的发现”之类的问题,丁肇中都会以他惯常的缓慢而轻柔的声音说道,“是很难预料得到的。”但在丁肇中的心里,真正期待的是阿尔法磁谱仪有可能带来完全意料不到的发现。
面对质疑他不为所动
“我拒绝你们的拒绝。”“物理学的进步就在于不断地推翻别人的理论。”
——丁肇中
但是,除了丁博士等很少人外,大多数理论物理学家并不认为这一实验能够发现任何原始反物质。他们得出的结论认为,原始反物质在宇宙大爆炸后的最初时刻就消失了。“最初的目标物早已经灰飞烟灭,”美国密歇根大学宇宙射线物理学家格雷格·塔尔勒说道,他对这项实验一直持批评意见。
AMS项目的众多反对者认为他们能够预测到这一项目的最后结果,目前没有理论让他们相信丁肇中与戈尔丁所说的反物质原子核的存在。另外,他们还说,目前用在AMS项目上的资金,可以用在更重要的地方,比如得到天体物理学界评估认同并被列为优先考虑的一些项目之上。对此丁肇中不为所动,1976年,他在诺贝尔奖演讲中以谨慎的实验证明了一些理论科学家的谬误。他说,当与某种理论产生分歧之时,实验结果是最具说服力的,他以不容置疑的口气强调道,“物理学的进步就在于不断地推翻别人的理论。”
两年前欧洲卫星帕梅拉发现超过正常的正电子,也许是暗物质粒子碰撞的结果,这暗示着太空中可能有暗物质存在。虽然卫星无法分辨正电子与质子,而阿尔法光谱仪可以,“它会告诉我们,这些东西究竟是有还是没有,”欧洲粒子物理研究所的理论物理学家约翰·埃利斯说道。包括埃利斯博士和丁博士在内的一些物理学家认为,来自暗物质的正电子应该拥有独特的光谱特征,利用宇宙射线光谱仪可测量到,如果发现它遵循某种模式,丁博士说,“每个人都会认为它就是暗物质。”但许多物理学家认为只有从粒子加速器实验获得直接的探测数据,才能认为发现了暗物质。
即使是丁博士的支持者也为阿尔法磁谱仪实验实施过程中的一些曲折而感到困惑。在发射的日子最后定了下来之后,丁博士宣布他将用较弱的永久性磁铁替代原型机太空飞行时所用的超导磁铁,这意味着他将错过将阿尔法磁谱仪运送到卡纳维拉尔角发射场的最后期限。美国航天局及时作出了反应,将飞行时间推迟到了2011年。丁博士为在最后时刻进行的改变提出了两个原因。2010年2月里进行的真空室测试表明,需要用氦冷却超导磁体,超导磁体也将在短短的两年内失去超导性,而在太空中让其恢复超导性并不是一个理想的选择。
在丁博士看来,国际空间站的寿命已从2015年延长至2020年或2028年,不可能让一台失效的机器在多年的时间里占用着空间站里的空间。丁博士说,永久磁铁磁场较弱的缺点,因设备更长的使用时间,以及在粒子跟踪阵列设计上的些微改动而完全得以抵销,事实上,丁博士将其称之为对阿尔法磁谱仪的一次“升级”。“如果空间站于2015年就停止使用,我们不会改换磁铁,”他说。
这次改变,导致了原来对这次实验就有所质疑的一些科学家提出了新一轮的批评意见,他们怀疑运载阿尔法磁谱仪进入太空飞行是否安全。航天飞机工程师则表示,对此次阿尔法磁谱仪的改变,他们感到欣慰,因为可以不用使用液态氦,液态氦存在着有可能汽化爆炸的危险,正如两年前在大型强子对撞机上发生过的那样。加州理工学院的巴瑞·巴里斯曾协助能源部对该实验项目进行过评价,巴里斯在一封电子邮件中说,尽管这一原先已被批准的实验在实施过程中“有明显缺陷”,但还是应该按原计划发射飞行。“我不会和Samuel(指丁肇中)对着干的,”他补充道。
AMS项目团队认为天体的带电粒子(也称为宇宙射线),是探索粒子物理学尚未解决的一个问题的窗口:为什么宇宙主要是由物质,而不是由反物质构成的?这至今仍是一个谜。但研究人员希望这次实验能发现,宇宙是否如人们所认为的那样,绝对完全地排斥反物质。如果有任何反物质逃脱了早期宇宙时被湮没的命运,那么这些“流亡”在宇宙中的反物质今天应该仍然存在着。
AMS还面对着来自另一方面的阻力,AMS计划首次提出时,对反物质宇宙射线的检测几乎没有进行过多少尝试,但一个观察宇宙的新窗口正在被慢慢打开。气球携带的超导光谱仪实验(BESS)曾在南极洲高空的宇宙射线中寻找反物质,2006年发射的欧洲卫星帕梅拉(PAMELA)也于2008年检测到了太空中存在着的过量正电子。这两者能得出原始反物质存在的结论吗?也许不能。“那么AMS能提供BESS和PAMELA所无法提供的这个基本问题的答案吗?”美国宇航局戈达德太空飞行中心的约翰·米切尔道,“答案是,也许不能。”但这并不意味着AMS没有找到原始反物质的机会,但这个机会之窗显然被关小了不少。
美国航空航天局天体物理学咨询委员会主席克雷格·霍根在2008年2月的一封信中指出,“与其他任务相比,科学价值不很显然的任务都会给天体物理学的整体状况带来危害。”丁肇中对此则回应指出,AMS计划不属于美国宇航局天体物理学的任务,没有用过美国宇航局科研拨款的钱,也没有美国航天局的科学家参与到这项研究工作中来。至于其科学价值的审查,他指出,除了经过欧洲多个机构的审查之外,美国能源部也分别于1995年、1999年和2006年对AMS项目进行了审查。欧洲粒子物理研究所的物理学家大卫·斯蒂兰德回忆道,“Samuel毅然站出来说:‘我拒绝你们的拒绝’。”
国际空间站的科学贵宾
阿尔法磁谱仪(AMS)将在太空深处寻找反物质,并对投射到地球附近的宇宙射线进行检测。
上周,一个重达1.5万磅(相当于6.7吨)的阿尔法磁谱仪发射升空,已进入国际空间站。
阿尔法磁谱仪的外形是一个圆柱形磁铁,曾于1998年搭载航天飞机进入太空,如今它又被附加了一些用于检测宇宙射线的新仪器。这是前美宇航局局长丹·戈尔丁为国际空间站带来的有着重要意义的科学探索项目,也是诺贝尔奖得主、物理学家丁肇中关于反物质的非正统观点的一次检验。这项花费达20亿美元的实验旨在搜索宇宙中星际气体、恒星和行星由反物质构成的区域。阿尔法磁谱仪检测投射到地球上的宇宙射线的敏感度是前所未有的,它将获得比我们想象中更为可靠的科学数据。
检测宇宙射线
阿尔法磁谱仪还将获得来自太阳和超新星、伽马射线爆发等宇宙射线的能量、电荷和组成成分的可靠数据,除了检测较重的反物质原子核之外,这些数据还将成为某个宇宙区域存在反物质的确凿证据。
“我们将非常精确地测量宇宙射线通量,”AMS任务团队成员、里斯本粒子物理实验室的费尔南多·巴朗说道,“进行检测最理想的地方是在太空,因为那里的宇宙射线不会受到地球大气层的影响和破坏。”
欧洲核子研究中心的理论物理学家约翰·埃利斯虽然没有参加这一研究项目,但他对这次太空任务也表示赞同,他说,与之前的太空宇宙射线探测器相比,阿尔法磁谱仪有了很大的进步,如2006年发射的太空宇宙线空间探测器“帕梅拉”。
帕梅拉在银河系的银晕检测到的正电子,很可能是暗物质粒子存在的信号,AMS的搜索范围是帕梅拉的200倍,对同样的信号也更为敏感,如果真存在着这样的信号的话。“这无疑是对宇宙射线通量最为仔细的检测。”
宇航员在科学发现中的作用有助于美国的太空计划获得更大的公众支持力度,美国航天局的宇航员迈克尔·玛西米诺指出,哈勃太空望远镜的五次维修任务都是由航天飞机上的宇航员进行的,这是一个很好的例子,他认为,AMS以后的维修任务很可能也将由宇航员来进行。
进入太空后的磁谱仪
奋进号上以马克·凯利为首的宇航员,使用航天飞机和国际空间站的机械臂,将AMS安装在国际空间站的外部金属托架上。几小时后,便有大量宇宙高能粒子数据源源不断发回地面接收中心。投入运行之后,将从地球上对AMS进行控制。
相对于独立在太空中的仪器设备,安置在国际空间站拥有更多的优势,提高了阿尔法磁谱仪的数据传输速率,如果发生故障,也将比较容易解决。“阿尔法磁谱仪安置在国际空间站,让美国宇航局引以为豪,”西斯蒂利说道,“我们希望能有更多的科研任务安排在国际空间站。”
参与阿尔法磁谱仪项目的科学家来自全球16个国家和地区的56个科研机构,这一项目也被认为是继人类基因组计划、国际空间站计划、强子对撞机计划之后的又一个大型国际科技合作项目。磁谱仪的主要部件完工于欧洲和亚洲,其中中国科学家对项目的完成作出了“决定性”贡献。
丁肇中的“不许失败”
□姚诗煌
5月16日,美国“奋进号”航天飞机最后一次升空,将阿尔法磁谱仪2号(AMS-02)送往国际空间站。消息传来,作为采访过丁肇中的记者,我既高兴又激动,因为对这次发射,我也关注和盼望了近10年。
2002年9月,丁肇中教授来沪访问,期间到文汇报社做客。丁教授介绍了他正在进行的一项科学工程:将一台重达7吨的阿尔法磁谱仪放上国际空间站,以探测宇宙深处的反物质和暗物质。我当即被这项研究深深吸引住了,向丁教授问了好些问题,看到我如此饶有兴趣,丁教授即让我随他到北京参加有关AMS-02的会议,并在第二年的4月邀请我到他所在的日内瓦欧洲核子中心访问,参加一次AMS的中期汇报会。
AMS-02是一项国际合作的科学工程,全世界有16个国家和地区的50多所大学、科研机构共600多位科学家参与,原计划于2005年发射升空;然而2003年2月,美国“哥伦比亚”号航天飞机不幸失事,给计划蒙上了阴影。当时,我曾问丁教授,这对AMS的发射是否会有影响,他说根据现在的了解,不应该产生影响;但后来航天飞机的发射到2005年才恢复,AMS-02的升空自然被延迟,以后美国又宣布航天飞机将陆续退役,而在最后几次飞行中,AMS能否排上,更成为变数。如果一旦排不进最后的几次发射,丁肇中和整个科研团队十多年的心血将付之东流,这确实让人揪心。尽管前景莫测,但丁肇中始终没有放弃,并精益求精地对探测器进行改进和完善。期间,丁肇中曾来电,要我将发表在文汇报上两篇对他的整版专访传给他,据说他正在向政府和国会游说。2008年,美国众议院特地通过了一项提案,让NASA(美国宇航局)额外增加一次运载阿尔法磁谱仪的航天飞行。
如今,AMS-02终于升上了太空,丁肇中和他的国际科研团队,以17年的艰险和努力,总算完成了计划的第一步;但整个研究项目,实际上才真正开始。在今后数年中,这座放于国际空间站的仪器,能否探测到来自宇宙深处的反粒子?仪器的各个部件,能否经受住太空环境的严酷考验?这些还都是未知数。作为一位已负盛名的诺贝尔奖获得者,为什么还要将自己六、七十岁以后的生命,再投入这样一项充满风险和不确定性的科学探索之中?许多人或许会感到不解。对此,丁肇中曾对我说:无论在太空中是否找到反粒子,都具有重大的科学价值。他将矢志不渝。这些年来他谢绝了一切与AMS无关的活动和邀请,说“我只做一件事”;并以年逾七十之身,奔波于参与项目的全球各研究机构,指导、督促、检查每一个技术细节。他对每一个环节,都严格要求,近乎于挑剔和苛求。我曾多次看到,有的科学家或工程师汇报时被他问得下不了台而窘迫万分。他说过:我不允许有任何的失败。我曾不解地问:不是说“失败是成功之母”吗?他说:不,在航天领域,就得保证百分之百的成功。我始终忘不了,他讲这句话时那种坚定的目光和语气。我想,这就是一位科学大师的精神和品格;有了这样的精神,相信丁教授一定会再次取得成功!
名词解释
暗物质
宇宙是由原子和分子、质子和电子、恒星和星系构成的,但在过去几十年里,天文学家得出的结论是,所有这些宇宙物质都叠加了一层不可见的“暗物质”的阴影,正是这种不可见的暗物质的引力决定了宇宙的结构。换句话说,暗物质是宇宙间一种神秘的物质,它构成了宇宙物质的四分之一,并通过自身引力将宇宙星系聚合在一起。
近年来,卫星和气球运载磁谱仪在南极洲上空探测接收到了一些神秘的信号,科学家们希望,一种被称为阿尔法磁谱仪的仪器设备发射到太空,对宇宙射线进行检测,也许可以确定这些神秘信号是否正是来自暗物质,并获得目前为止还只是理论上存在的暗物质粒子和暗能量的证据。
2008年,欧洲卫星帕梅拉检测到了太空中存在着的过量的正电子,也许是由暗物质粒子碰撞而造成的,卫星无法分辨正电子与质子。但阿尔法光谱仪能够做到,重达6.7吨的阿尔法磁谱仪(AMS),是太空中进行的最为雄心勃勃和复杂的实验之一,相当于大型强子对撞机线上庞大的粒子探测器的缩微版本。
了解暗物质的性质也许有一天会以没有人能够想象得到的方式为人类所利用,爱因斯坦的时空弯曲理论同样是人类感官难以感知到的,但在爱因斯坦去世数十年之后,这一理论却被证明在全球定位系统中起着重要的作用。一些物理学家认为,来自暗物质的正电子应该拥有其独特的光谱特征,利用宇宙射线光谱仪可检测到,如果发现它拥有某种规律,科学界将迎来暗物质的新时代。
反物质
物质是由分子和原子组成,原子是由带负电的电子和带正电的原子核组成,如果由带正电的电子与带负电的原子核组成原子,那么就是反原子,由反原子就可组成反物质。
科学家认为,约140亿年前宇宙诞生时产生了大体相等的物质和反物质,那么现在这些反物质到哪里去了?一种解释说在宇宙的某些地方存在着由反物质组成的星系;还有一种解释说宇宙诞生时产生的物质比反物质多了一点,物质与反物质相互湮灭后,剩下的物质就构成了现在的宇宙。由于科学家目前对反物质了解非常少,因此对宇宙诞生和演化以及物质世界构成等问题很难深入研究。
为解反物质之谜,目前科学家采取了两种途径,一是在自然界中寻找反物质,研究反物质的自然状态;二是在实验室中制造反物质,从更多的角度研究反物质。
为了“面对面”地研究反物质,科学家想到了直接“捕捉”反物质。在地面,由于大气干扰,几乎不可能“捕捉”到反物质,因此科学家把目光投向了太空。
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