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，是具有競爭性的，只有第一，沒有第二(續(xù))

第二個目標：精確測量宇宙線。AMS有7個探測器，對宇宙線的各種原子核進行精確的測量。宇宙線有2種：初級宇宙線和次級宇宙線。初級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探測到。初級宇宙線從他們的起源一直傳播到AMS。所以，初級宇宙線攜帶了關(guān)于他們起源和傳播的信息。

在AMS之前，過去100年來全球測量質(zhì)子流強的實驗最好的結(jié)果仍具有很大的誤差，相互之間不一致。這限制了對宇宙線的認識。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3億個結(jié)果，(在2 000億eV前)符合理論預(yù)測的結(jié)果，但到2 000億eV之后就不一樣了，有新的現(xiàn)象存在。實驗的結(jié)果和理論預(yù)測不一樣，推翻了幾十年來的傳統(tǒng)理論(圖27)。

圖27 AMS質(zhì)子流強實驗新結(jié)果

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

圖28 AMS初級宇宙線的測量結(jié)果

同時有一個現(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。沒有任何一個結(jié)果和以前的結(jié)果是一樣的，沒有任何一個結(jié)果和理論推測是一樣的。用中國話說，叫“天下大亂”了。

除了初級宇宙線以外，還有次級宇宙線(鋰，鈹，硼…)。次級宇宙線是由初級宇宙線和星際物質(zhì)碰撞產(chǎn)生的，所以次級宇宙線提供了宇宙線傳播過程和星際物質(zhì)的特性。鋰測了190萬個數(shù)據(jù)，鈹90萬個數(shù)據(jù)，硼260萬個數(shù)據(jù)。次級宇宙線(鋰、鈹和硼)隨著剛度具有相同的行為，而且他們在2 000億伏的剛度以后也都發(fā)生相同的變化。但是，次級宇宙線和初級宇宙線隨剛度發(fā)生不同的變化(圖29)，這是想象不到的結(jié)果。

圖29 次級宇宙線和初級宇宙線隨剛度發(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。

“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國際會議，邀請了世界上最有名的科學(xué)家來討論這個結(jié)果，到現(xiàn)在為止，還沒有人能解釋。

美國物理學(xué)會過去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)

· 發(fā)現(xiàn)117號元素

能看出，AMS已經(jīng)開始為人類的知識做出重要貢獻。

AMS的另一個目標是尋找由反物質(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，沒有實驗在太空中精確地尋找到反物質(zhì)。所以，理論物理學(xué)家認為，對稱性是破壞的，對稱性理論是錯誤的，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是其中一個事例，測量到這個反氦-4的動量=32.6 ± 2.5 GeV/c，電荷=-2.05±0.05。(現(xiàn)觀測的)所有氦的電荷都是正的，只有它是負的。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1億個氦數(shù)據(jù)中，只有1個反氦。為了確保數(shù)據(jù)的準確性，現(xiàn)在正在對探測器進行精確的驗證。

我們測量的正電子的結(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。

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)位的時候是上世紀60年代，那時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)是了解原子核力的來源。實際發(fā)現(xiàn)是2種中微子、時間對稱破缺、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，實際上發(fā)現(xiàn)了第5種夸克、第6種夸克；

上世紀70年代，美國60億正負電子對撞機，原來的目標是量子電動力學(xué)，實際的發(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正負電子對撞機，原來的目標是第6種夸克(實際的發(fā)現(xiàn)是膠子(有中國科學(xué)家參與))；2000年，日本地下實驗室，原來的目標是質(zhì)子壽命(實際的發(fā)現(xiàn)是中微子有質(zhì)量)；哈伯望遠鏡，原來的目標是銀河探索，最后找到了暗能量(表1)。

表1 近代物理研究的原定目標與實際發(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，專家評審并不是絕對有用的。因為，專家評審是依靠現(xiàn)有的知識，而科學(xué)的發(fā)展是推翻現(xiàn)有的知識。所以受到別人的反對是很好的事情。

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(參與實驗)。

(2) 程林教授主要負責(zé)熱控制系統(tǒng)的設(shè)計，主管AMS整個熱控制系統(tǒng)。空間站白天(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主要團隊有：

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

這個實驗對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)校和航天機構(gòu)繼續(xù)合作，對人類認識宇宙的奧秘繼續(xù)做出重要的貢獻。

這個實驗是由16個國家花了20年的時間建成的。AMS是太空中唯一的磁譜儀，今后幾十年內(nèi)，不可能再有第二個磁譜儀。AMS所有的結(jié)果都是獨一無二的，改變了人類對宇宙的認識。

我最后一個體會：自然科學(xué)的研究，是具有競爭性的，只有第一，沒有第二。沒有人知道誰是第二個發(fā)現(xiàn)相對論的人。

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)與實驗室管理部胡蔓、物理學(xué)院曹曉習(xí)兩位老師的積極協(xié)助，在此謹致誠摯的感謝！