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  • “我从来不同时做两个实验”

    来源:文汇报2016.12.25 2016-12-30 10:40:46 点击:451 赞美:6

     

     

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    北京时间129日凌晨2点,丁肇中在日内瓦欧洲核子中心首次向全球发布阿尔法磁谱仪5年太空实验的结果。

     

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    ■本报首席记者 许琦敏

     

    1217日,国际著名物理学家、1976年诺贝尔物理学奖得主丁肇中来到上海,出席“复旦科技创新论坛”。他在所做的报告中,详细介绍了他负责的阿尔法磁谱仪项目发射升空5年来,测量带电宇宙线所获得的成果,同时也谈了自 己对物理、对科学的更多认知和感悟,再次让人感受到这位科学大家的魅力。

     

    在谈及自己用17年的努力启动的人类历史上最昂贵的这一实验时,丁肇中说:“阿尔法磁谱仪2号 (AMS-02) (见下图) 已经在国际空间站上工作了5年,获得了很多我们无法想象的结果,这是最重要的。”阿尔法磁谱仪是国际空间站上唯一的大型科学实验,也是唯一能在太空直接测量带电宇宙线特性的实验。在沪上接受媒体采访时丁肇中称,“根据目前的计划,AMS-02至少可以工作到2024年,带上天的仪器还可以再用30年。”

     

    无法想象的结果人类对宇宙的了解还很有限

     

    “把钱直接送上太空,也比造阿尔法磁谱仪来得便宜。”在介绍实验背景时丁肇中说,直到现在,对于我们花费20亿美金做这个实验是否值得,依然质疑声不断。主要“有两种质疑,一种认为实验太难,根本做不成;另一种认为根本就没必要去做。”但他认定,这是人类必须要做的事情,因为宇宙是最终的实验室。

     

    太空中有两种宇宙线。一种是中性的,比如光和中微子,可以通过卫星和大型的地面及地下实验来探测,如我国的暗物质粒子探测卫星“悟空”、大亚湾中微子实验、锦屏山地下实验室等。另一种则是带电的宇宙线,必须到太空中测量。因为地球大气的厚度相当于10米的水,当带电宇宙线穿越过大气层时,几乎全被吸收了。虽然这保护了地球生物,却阻碍了人类对它的认识。阿尔法磁谱仪 (AMS) 是目前唯一可以在太空中直接测量带电宇宙线特性的实验。

     

    2011516日,美国“奋进号”航天飞机携带7.5吨重的阿尔法磁谱仪2号 (AMS-02) 进入国际空间站,人类也由此开启了又一次探索宇宙未知奥秘的旅程。2011519935分,AMS-02开始收集数据,至今已收集了超过900亿个带电粒子的数据。

     

    丁肇中在报告中一共提到了近20个结果,其中相当一部分“实验结果和理论预测不符合,理论是错误的”,由此“我们对宇宙线的来源有了新的认识”。

     

    在宇宙线中,质子、氦、碳、氧等属于初级宇宙线,它们与星际物质相互作用后,会产生锂、铍、硼等次级宇宙线。因此,它们之间的比例关系,可以让物理学家从中解读出许多信息。

     

    “难以想象,质子、氦、锂的流强在同一地方出现了新现象,和传统理论预测很不一样。”丁肇中说,如果传统理论与实验数据不符合,那理论就是错误的。但是,该如何来解释新现象? 这就给理论物理学家带来了新课题。

     

    有些结果使存在多年的理论之争得到了解决,比如硼-碳流强比例。传统上,宇宙射线的传播,可以用接近光速的气体在磁性等离子体中的扩散效应来描述。不同的是,这次AMS-02测到了能量在650亿电子伏特以上的硼-碳流强比例,在测量了230万个硼核子、830万个碳核子之后,发现它在这个区域并没有显著结构,推翻了很多宇宙线模型。而它与前苏联数学家柯尔莫哥洛夫在1941年提出的湍流模型,却是相符合的。这让一场70多年的争议尘埃落定。

     

    碳与氧的能谱是相同的———这说明它们有相同的来源;初级宇宙线的流强不随能量而变化,但次级宇宙线的流强在高能区域则会减退很快;宇宙周期表上的原子的能量分布都与现有的宇宙线理论不符合……丁肇中说,很多无法想象的结果,都让我们意识到,人类对宇宙的了解还很有限。

     

    关于暗物质,AMS得到的结果都与暗物质的理论相符合。这点很振奋人心,尽管确认还需要更多的数据,耗费数年时光。

     

    在宇宙中有数以百计种类的带电基本粒子,其中电子、质子、正电子、反质子具有无限的寿命,因此它们可以一直在宇宙中穿梭旅行。在AMS之前50年,电子和正电子流强的测量结果误差很大,产生了很多不同的理论猜测。而AMS的精确测量,让很多事情变得清晰。比如,电子和正电子流强的强度不同,会随能量变化而不同。丁肇中说,这是以前没有想到的结果,因为以前大家认为,电子和正电子除了所带电荷不同,其他特性应该是一样的。

     

    在宇宙中,宇宙线与星际物质碰撞,会产生正电子、反质子,而暗物质也会产生正电子和反质子。这些由暗物质产生的正电子、反质子,也可以被AMS测量到。AMS在对正电子进行探测时,发现从80亿电子伏特开始,测量到的正电子流强超过传统理论中宇宙线与星际物质碰撞所产生的正电子流强,而且这些正电子流强会在高能区域急剧下降。“这与质量为1T电子伏特的暗物质粒子模型相符合。”丁肇中说,AMS测得的正电子比例也与该模型符合。不过,脉冲星也会产生正电子。究竟宇宙中多余的正电子来自何方? AMS所测得的反质子与质子的比例显示,宇宙中有多余的反质子,它们不可能来源于脉冲星。究竟结论如何,还需到2024年,积累更多数据来作出判断。

     

    猜想没有意义物理研究做实验不能靠猜想

     

    “您对外星人怎么看?”“霍金的观点您赞同吗?”甚至“可否从您儿时所受的教育,给目前的中国家长提点建议?”面对来自媒体的各种提问,丁肇中的回答一律是“我不知道”。他说,作为实验物理学家,他从来不习惯猜测,“猜想没有意义,物理学是实验的科学,再好的理论,如果没有实验证明,那也没用。”

     

    当丁肇中的结果发布之后,很多理论物理学家都开始忙碌起来,因为他们必须修改理论模型,来符合实验得到的数据,或者根据实验结论提出新的理论模型。然而,这一切都建立在一个基础上:丁肇中所提供的实验数据是迄今最为精确的。

     

    丁肇中对于仪器精度的要求非常高。比如AMS中的核心部件———永磁体就是由上万个不同形状、不同大小的小磁块拼成的64个磁化方向连续不断变化的永磁条组成。这些小磁块都得由50×50×25毫米的标准块切割而称,任何一个稍有偏差都无法拼出一个完整的环。此外,AMS-02还装备了近10种子探测器,它们有的测“身高”,有的测“体重”,有的看“相貌”,多角度综合评估空间粒子的身份,从中找出带有暗物质、反物质“身份证”的粒子。

     

    AMS要描述宇宙大爆炸后的完整镜像,其难度不亚于“在一场暴雨中寻找一颗彩色的雨滴”。丁肇中说,他所要探索的关键,并不是回答“是否有反物质存在”,而是“寻找由反物质组成的宇宙”———如果宇宙起始于大爆炸,大爆炸之前是真空,那么大爆炸之后应该有相同数量的物质与反物质。

     

    因为原子和反原子具有相反的电荷,所以要找反原子,就必须用磁体来测量它在磁场中的轨道。由于物质和反物质在空气中相互湮灭,反物质不可能在地面上探测到。

     

    900亿宇宙射线事件中,AMS的确发现了电荷为-2,质量与氦3类似的事件。但目前,它们还只是被称为“候选事件”,因为相对于900亿的事件数量来说,只有当仪器信号-本底分辨率超过十亿分之一时,才能确定反氦核的确存在,而不是仪器记录的“手误”。然而,探测器的验证很困难:首先磁场不能改变;其次,事例几乎一年只有一次,非常稀少;第三,探测器模拟研究的精度要达到十亿分之一。不过,丁肇中并不急躁:“我们需要几年时间,进行详细的探测器验证,收集更多的数据,才能了解这些事例的来源。”

     

    其实,对待每一个数据,丁肇中都非常慎重。“在过去50年,各种测量的误差很大,得出的数据也各不相同,由此产生了很多理论模型。”丁肇中说,AMS的测量结果是最精确的,而且,在未来二三十年,人类也不可能再放一个同样的仪器上天,所以每个数据都必须确保准确,不然会对物理学产生长期的消极影响。

     

    同样,“有没有暗物质”不是问题,而“暗物质是什么”才是问题。到底在宇宙中游荡的正电子来自于暗物质的湮灭,还是脉冲星,AMS找到了一些线索,但还需要进一步确认。

     

    丁肇中说,对于不能确认的事情,绝不可以轻易点头。“好比说,你要我回答有关教育的问题,我无法回答。你可以去问社会学家、教育学家、心理学家,但我是个物理学家。”他在媒体见面会上说,“而且,我母亲对我的要求只是身体好,但当时的中国处在抗战时期,和现在的环境完全不同,所以这样的问题我无法回答。”

     

    我没有能力同时做两件事情

     

    但我从不做错

     

    5年得到的数据,还只是AMS为人类带来对宇宙新认识的开端。AMS-02将在国际空间站工作到2024年,以累积更多的数据。如果可能,它的工作时间还可能延长到2028年,甚至更久。丁肇中说,所有带上天的东西,还可以再工作30年。

     

    那么,在此期间,除了接收与分析数据,丁肇中有没有新的打算? 比如研制精度更高的AMS-03? 在媒体见面会上,丁肇中对此予以否认。他说,他从来不同时做两个实验,因为他感觉自己没有能力,“我很认真,总是一件事情做完再做另一件。所以我从不出错。”

     

    的确,在他的团队中,决定事情一般都通过讨论,从来不采用投票这种“少数服从多数”的方式。他认为,在科学问题上,很多时候是“少数先知先觉者带领大多数人”。每个月开会时,团队中的任何人都可以提出问题与他讨论,但在开会时不允许任何人随意走动、倒水、私下议论,一定要认真听别人说了什么。只要让丁肇中听懂了,这件事情就可以做决定,如果这次没听懂,那就到下一次再来讨论。

     

    “我至今没做过什么错误的决定,所以大家愿意相信我。”丁肇中说,他无法控制别人的经费,也不愿意强迫别人留下,但大家愿意支持他,他从来不知道经费匮乏是什么感觉。

     

    这支汇聚了十多个国家、600名优秀科学家的团队,有很多年轻人,但他们极少会放弃。丁肇中说,很大一个原因,是在选人进入团队时,就有了严格的遴选。

     

    不过,丁肇中选人的方式只有一个———谈话。他不会给人贴标签,也没有学历、发表论文等录用标准。他说,自己很少看专业论文,更不看专业书,因为那些都是过时的知识,而他们做的就是最新的,没有别人的现成成果可以参考。所以,在招人时,他也不会考虑经验,“刚开始,我的团队里几乎没人有航天相关的经验。”与经验相比,他更看重的是思路,而这才是谈话的重点。

     

    在与应聘者谈话时,丁肇中总让对方问自己问题———这可以看出一个人的思路是否清晰。上世纪80年代,曾有一个年轻的波兰学者衣衫褴褛地来找丁肇中,说自己没有学历,但想当他的学生。当天两人谈完后,丁肇中就建议美国麻省理工学院 (MIT) 录取这个学生,现在此人已经是MIT核能所的所长了。

     

    在进入项目之前,丁肇中会告诉每个人:“除非你将这看成最重要的工作,如果不是这样认为,那就千万不要参与。”他认为,学物理是需要天赋的,更需要兴趣,“来世界上走一次,应该服从自己的兴趣。”他自己就将物理当作生命中最重要的一部分。

     

    或许就是这样的执着、睿智和毅力,让丁肇中可以代表人类探索宇宙的未知———人类很可能正处在一个新的物理大发现的前夜。

关闭 【文字:许琦敏】【发布:吴蔚】 【赞美一下