丁肇中谈空间实验:“做实验,第一你不能讨论的是要多少钱”

澎湃新闻见习记者 王盈颖

2016-12-18 08:14 来源:澎湃新闻

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12月17日,丁肇中教授在复旦大学做《AMS实验在国际空间站上五年的最新结果》报告。 视频来源 意大利宇航局 美国宇航局 编辑 陈雅儒(04:19)
12月17日下午,在复旦大学,诺贝尔物理奖获得者、美籍华人科学家丁肇中用中文报告了阿尔法磁谱仪(AMS)在国际空间站上的最新结果。
“实验结果和理论预测不符合,没有什么可说的,理论是错误的。所以,我们对宇宙线的来源有了新的认识。”丁肇中列举了AMS20项左右的实验结果,多个推翻了物理界几十年来传统的预测模型。
在日内瓦当地时间12月8日,作为项目负责人,丁肇中在欧洲核子中心公布了“阿尔法磁谱仪2”升空五年后的“成绩单”。
9天后,丁肇中现身复旦大学,再次报告“五年成绩单”。现场,座无虚席,每个过道里都席地坐满了学生。在报告开始前1小时,报告厅的两个大门前已经排起了长龙。
阿尔法磁谱仪。来源:美国宇航局AMS网站
阿尔法磁谱仪是首个在太空中进行的大型精密物理实验,由16个国家、56个研究机构的科研人员合作。
一项太空中的大型物理实验耗资巨大。据《自然》杂志报道,阿尔法磁谱仪的造价约为20亿美元。在还未开建前,有漫画调侃阿尔法磁谱仪的造价:“我们刚刚才了解,把钱直接送到天上,也比制造AMS便宜”。提到AMS制造费用的问题,丁肇中说:“做这个实验,第一你不能讨论的是要多少钱”。
美国宇航局曾因为造价太高而犹豫不决,但在丁肇中的说服下,2008年,美国参议院和众议院全体通过相关法律,要求美国政府为AMS增加一班航天飞机。
搭载航天飞机上天后,阿尔法磁谱仪固定在国际空间站上。国际空间站长109米,重420吨,距离地面400公里,每93分钟绕地球一周。截至目前,阿尔法磁谱仪已经昼夜不休地工作5年多,测试了超过900亿个宇宙射线事件。
发现暗物质和反物质是AMS实验的两大科学目标,也是物理学家目前尚未掌握的两大科学谜题。
丁肇中介绍,AMS测试到的正电子和反质子实验结果和暗物质的理论都相符合,但是要完全证明、找到暗物质还需要等到2024年,排除来自脉冲星的可能。在反物质上,AMS探测到几个电荷为-2、质量和氦3类似的事例,可能是反物质存在的证据,但仍需几年时间进行验证和分析。
为什么要做阿尔法磁谱仪实验?丁肇中进行了详细的解释:“在宇宙中只有两种宇宙线在空间中穿行,一种是中性粒子宇宙线,也就是光和中微子,可以通过卫星和地面实验室来测量。还有一种是带电粒子宇宙线,因为带电所以有质量,穿过地球大气层(相当于10米的水)时,就被吸收了。所以在地面上,不能测量带电宇宙线的电荷、质量和特性。AMS是在太空中直接测量带电宇宙线特性的实验。”
从1994年丁肇中有了AMS的设想,到2011年AMS最终由美国宇航局“奋进号”航天飞机运载至国际空间站,AMS的落地实施整整耗去17年。
研发出AMS是破零的过程。不管是它的穿越辐射探测器、硅微条探测器、电磁能量探测器,还是磁铁、飞机时间计数器、环形切伦科夫计数器,无一不是“前无古人”的新技术。
“我们组没有一个人做过天上的实验。所以很多人认为我们是绝对不会成功的。” 顺利进行AMS实验至今,回头来看,丁肇中觉得:“经验对实验物理学家来说意义不大。”
时隔5年,丁肇中记得很清楚AMS上天前自己所经历的紧张。“临起飞前几天,我要求所有人让我单独想一想。因为有16个国家一起做,每个仪器都决定了参数。我再想一想,到底有没有什么错误。有错误的话,再困难也不能让它起飞。因为起飞之后就没有办法了。”丁肇中展示了一张对他来说很重要的照片。这张照片摄于2011年5月阿尔法磁谱仪搭乘 “奋进号”上天前,丁肇中穿着实验服,坐在阿尔法磁谱仪旁边。
“我还记得很清楚,在那坐了4个钟头,没有想出错误来,我就离开了。离开的时候,我还记得全身是非常非常……因为确实是很紧张。”丁肇中回忆说。令他欣慰的是,AMS顺利上天,和国际空间站成功对接,“没有任何错误”。
阿尔法磁谱仪测量的精确度是1%,这比当时美国宇航局的要求高一个数量级。丁肇中介绍,这样的精度在粒子物理实验上很难做到,在太空中更困难。“但我意识到未来二三十年都不太可能再放一个大磁谱仪到天上。”丁肇中说,“误差到1%时,每个人的判断力是不一样的。”
为了让这份也许二三十年内都无法改变的数据得到尽可能精确的判断,测试结果出来后,每周五早上11点,来自德国、西班牙、意大利、美国的四个组会聚在办公室讨论,分析不同的意见。
“我个人认为,AMS最重要的结果是,探索到自然界中存在的、但我们无法想象的、前所未有的现象。”丁肇中说。这些无法想象的“未知”将可能帮助我们破解物质世界的谜题,知晓宇宙诞生之初的故事。
责任编辑:王盈颖澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
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