即便找不到反物質，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，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，一半的宇宙應由正物質組成，另一半應由反物質組成。將于今天“落戶”國際空間站的“科學貴賓”——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”。

    神秘的反物質與暗物質，讓人翹首期待。主持該項目的華裔科學家丁肇中先生卻說，科學是無法預見的。即便找不到，也是一種收獲。“在科學道路上，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“哈勃望遠鏡”

    “如果宇宙中確實存在由反物質組成的世界，和大量看不見的暗物質，那么我們應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。而反物質一旦進入大氣層，就會與正物質產生湮沒反應，根本無法到達地面。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隊后來為此奮斗了17年。

    1998年6月，AMS-01搭載美國“發現號”航天飛機首次進入太空，在為期10天的實驗中，并沒有發現反粒子，但它證明了AMS的設計原理和方法是可行的。

中國方案解決“40年來最大挑戰”

    項目的最大挑戰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家，但都沒找到好方法。1994年，他偶然在一份美國文獻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。幾經討論，雙方確定了方案。

    這是一塊內徑約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個磁化方向連續變化的永磁條組成。

    據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雜。上萬個小磁塊都得由50×50×25毫米的標準塊切割而成，任何一個稍有偏差都無法拼出一個完整的環。為了獲得盡可能高的空間磁場，項目組選用了當時磁能級最高的釹鐵硼材料。

超導卡殼，永磁體再征宇宙

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

    直到去年，眼看“奮進號”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第二次發射），但超導磁鐵的研發還是沒能完全克服“漏熱”的缺陷。

    上海交通大學空間科學與技術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狀態，必須用溫度達1.8K（－271.3℃）的超流氦對其進行冷卻。“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”將直接導致冷卻劑超重。

    無奈之下，AMS-02不得不放棄研發多年的超導磁體，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方案。不可思議的是，測試發現，當年那塊永磁體的中心磁場強度至今仍高達1340高斯——“13年只衰減了10高斯，這說明，它再工作一二十年應該沒有問題。”

    據悉，AMS-02將在國際空間站內運行約10年，未趕上航天飛機“末班車”的超導磁鐵則可能用在之后的AMS-03上。

分辨反物質，向左走還是向右走

    對于反物質的世界，人們充滿了好奇，也有許多誤解。一次，在丁肇中與中國學生的對話中，有人天真地發問：在反物質的世界中，是不是一切都與我們這個正物質世界相反？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，那么AMS就是要描述大爆炸后的完整鏡像。誰都說不準，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，要分別物質與反物質，首先得想辦法測量粒子所帶的電荷是正是負。當空間粒子進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還是反物質、是明物質還是暗物質。