即便找不到反物質(zhì)，也是一種收獲

3gzylon 2011-05-24

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今天，阿爾法磁譜儀2“落戶”國際空間站，將用10年甚至更長時間搜尋“另一半宇宙”。主持這個項目的丁肇中先生說——

即便找不到反物質(zhì)，也是一種收獲

日期：2011-05-19 作者：任荃來源：文匯報

    本報記者  任荃

    如果宇宙起源于大爆炸，一半的宇宙應(yīng)由正物質(zhì)組成，另一半應(yīng)由反物質(zhì)組成。將于今天“落戶”國際空間站的“科學(xué)貴賓”——阿爾法磁譜儀2（AMS-02），將用10年甚至更長時間在浩淼宇宙中搜尋“另一半宇宙”。

    神秘的反物質(zhì)與暗物質(zhì)，讓人翹首期待。主持該項目的華裔科學(xué)家丁肇中先生卻說，科學(xué)是無法預(yù)見的。即便找不到，也是一種收獲。“在科學(xué)道路上，我們可能原本是想去挖金子，但最終挖到的是瑪瑙。”

探測帶電粒子的“哈勃望遠(yuǎn)鏡”

    “如果宇宙中確實存在由反物質(zhì)組成的世界，和大量看不見的暗物質(zhì)，那么我們應(yīng)該能在太空中找到它們。”這是丁肇中開始這項艱難探測的初衷。

    他認(rèn)為，人類之所以至今沒能找到來自宇宙深處的反粒子，是因為我們把觀察點放在了地面上。而反物質(zhì)一旦進(jìn)入大氣層，就會與正物質(zhì)產(chǎn)生湮沒反應(yīng)，根本無法到達(dá)地面。因此辦法只有一個，就是將探測器送上太空。

    美國宇航局將AMS稱作“能探測帶電粒子的‘哈勃望遠(yuǎn)鏡’”，只是它昂貴得多，耗資近20億美元。1971年，一位很有名的諾貝爾獎獲得者也曾提出這個想法，但沒人付諸行動。“宇宙是最終的實驗室。”丁肇中和他的國際團(tuán)隊后來為此奮斗了17年。

    1998年6月，AMS-01搭載美國“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機首次進(jìn)入太空，在為期10天的實驗中，并沒有發(fā)現(xiàn)反粒子，但它證明了AMS的設(shè)計原理和方法是可行的。

中國方案解決“40年來最大挑戰(zhàn)”

    項目的最大挑戰(zhàn)是將一個桌子大小的磁體送入太空。然而，大型磁體不可避免地會有漏磁和二極磁矩的問題，前者會干擾航天飛機和空間站中其他儀器的工作，后者則會使磁譜儀在地球磁場作用下轉(zhuǎn)動。

    為了自己“40年科研生涯中難度最大的實驗”，丁肇中尋訪了多國科學(xué)家，但都沒找到好方法。1994年，他偶然在一份美國文獻(xiàn)中看到中科院電工所的一篇論文，得知中國能造很好的磁鐵，于是飛到北京造訪電工所。幾經(jīng)討論，雙方確定了方案。

    這是一塊內(nèi)徑約1.2米、重約2.6噸的巨型永磁鐵，中心磁場強度為1350高斯，是地球磁場的27000倍。不過，它并不是鐵石一塊，而由上萬個不同形狀、不同大小的小磁塊拼成的64個磁化方向連續(xù)變化的永磁條組成。

    據(jù)AMS-01磁體制造總指揮、中科院電工所研究員董增仁回憶，制造永磁體的過程精密而復(fù)雜。上萬個小磁塊都得由50×50×25毫米的標(biāo)準(zhǔn)塊切割而成，任何一個稍有偏差都無法拼出一個完整的環(huán)。為了獲得盡可能高的空間磁場，項目組選用了當(dāng)時磁能級最高的釹鐵硼材料。

超導(dǎo)卡殼，永磁體再征宇宙

    1998年試飛歸來，丁肇中帶領(lǐng)的團(tuán)隊著手設(shè)計一個可在太空運行3-5年的新系統(tǒng)——AMS-02，其中的關(guān)鍵部件永磁體，將被磁場強度達(dá)9000多高斯的超導(dǎo)磁體取代。其間，受美國航天飛機失事影響，和超導(dǎo)磁鐵本身存在技術(shù)障礙，AMS-02的發(fā)射時間幾經(jīng)推遲。

    直到去年，眼看“奮進(jìn)號”航天飛機就要步入它的“絕唱之旅”（也是美國航天飛機全體退役前的倒數(shù)第二次發(fā)射），但超導(dǎo)磁鐵的研發(fā)還是沒能完全克服“漏熱”的缺陷。

    上海交通大學(xué)空間科學(xué)與技術(shù)研究中心副主任葉慶好教授告訴記者，為維持磁體處于超導(dǎo)狀態(tài)，必須用溫度達(dá)1.8K（－271.3℃）的超流氦對其進(jìn)行冷卻。“漏熱”，意味著要保持“體溫”，磁體就得消耗更多的冷卻劑為自己降溫。按計劃，AMS-02隨航天飛機升空時可攜帶2000升超流氦，而“漏熱”將直接導(dǎo)致冷卻劑超重。

    無奈之下，AMS-02不得不放棄研發(fā)多年的超導(dǎo)磁體，重拾試飛時的那塊中國制造的永磁體。董增仁說，去年夏天，他專程飛往歐洲核子中心與丁肇中討論永磁體的改進(jìn)方案。不可思議的是，測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)年那塊永磁體的中心磁場強度至今仍高達(dá)1340高斯——“13年只衰減了10高斯，這說明，它再工作一二十年應(yīng)該沒有問題。”

    據(jù)悉，AMS-02將在國際空間站內(nèi)運行約10年，未趕上航天飛機“末班車”的超導(dǎo)磁鐵則可能用在之后的AMS-03上。

分辨反物質(zhì)，向左走還是向右走

    對于反物質(zhì)的世界，人們充滿了好奇，也有許多誤解。一次，在丁肇中與中國學(xué)生的對話中，有人天真地發(fā)問：在反物質(zhì)的世界中，是不是一切都與我們這個正物質(zhì)世界相反？比如，男人會不會變成女人？

    如果說大型強子對撞機模擬的是宇宙大爆炸之前最初的狀態(tài)，那么AMS就是要描述大爆炸后的完整鏡像。誰都說不準(zhǔn)，AMS-02此行找到反粒子的幾率有多大，可以肯定的是，其難度不亞于“在一場暴雨中尋找一顆彩色的雨滴”。

    葉慶好告訴記者，要分別物質(zhì)與反物質(zhì)，首先得想辦法測量粒子所帶的電荷是正是負(fù)。當(dāng)空間粒子進(jìn)入永磁體的巨大磁場，攜帶不同電荷的粒子會自動分流——向左走，或者向右走。此外，AMS-02還裝備了近10種子探測器，它們有的測“身高”，有的測“體重”，有的窺“相貌”，多角度綜合評估空間粒子的身份究竟是正物質(zhì)還是反物質(zhì)、是明物質(zhì)還是暗物質(zhì)。