丁肇中 | 花20億美金去宇宙探尋暗物質是否值得？

12月17日，國際著名物理學家、1976年諾貝爾物理學獎得主丁肇中來到上海，出席「復旦科技創新論壇」。他在所做的報告中，詳細介紹了他負責的阿爾法磁譜儀項目發射升空5年來，測量帶電宇宙線所獲得的成果，同時也談了自己對物理、對科學的更多認知和感悟，再次讓人感受到這位科學大家的魅力。

在談及自己用17年的努力啟動的人類歷史上最昂貴的這一實驗時，丁肇中說：「阿爾法磁譜儀2號(AMS-02)(見下圖)已經在國際空間站上工作了5年，獲得了很多我們無法想像的結果，這是最重要的。」阿爾法磁譜儀是國際空間站上唯一的大型科學實驗，也是唯一能在太空直接測量帶電宇宙線特性的實驗。在滬上接受媒體採訪時丁肇中稱，「根據目前的計劃，AMS-02至少可以工作到2024年，帶上天的儀器還可以再用30年。」

無法想像的結果:人類對宇宙的了解還很有限

「把錢直接送上太空，也比造阿爾法磁譜儀來得便宜。」在介紹實驗背景時丁肇中說，直到現在，對於我們花費20億美金做這個實驗是否值得，依然質疑聲不斷。主要「有兩種質疑，一種認為實驗太難，根本做不成；另一種認為根本就沒必要去做。」但他認定，這是人類必須要做的事情，因為宇宙是最終的實驗室。

▲北京時間12月9日2時，丁肇中在日內瓦歐洲核子中心首次向全球發布阿爾法磁譜儀5年太空實驗的結果

太空中有兩種宇宙線。一種是中性的，比如光和中微子，可以通過衛星和大型的地面及地下實驗來探測，如我國的暗物質粒子探測衛星「悟空」、大亞灣中微子實驗、錦屏山地下實驗室等。另一種則是帶電的宇宙線，必須到太空中測量。因為地球大氣的厚度相當於10米的水，當帶電宇宙線穿越過大氣層時，幾乎全被吸收了。雖然這保護了地球生物，卻阻礙了人類對它的認識。阿爾法磁譜儀(AMS)是目前唯一可以在太空中直接測量帶電宇宙線特性的實驗。

▲美國「奮進號」太空梭

2011年5月16日，美國「奮進號」太空梭攜帶7.5噸重的阿爾法磁譜儀2號(AMS-02)進入國際空間站，人類也由此開啟了又一次探索宇宙未知奧秘的旅程。2011年5月19日9時35分，AMS-02開始收集數據，至今已收集了超過900億個帶電粒子的數據。

▲空間站上的阿爾法磁譜儀阿爾法磁譜儀2號(AMS-02)

丁肇中在報告中一共提到了近20個結果，其中相當一部分「實驗結果和理論預測不符合，理論是錯誤的」，由此「我們對宇宙線的來源有了新的認識」。

在宇宙線中，質子、氦、碳、氧等屬於初級宇宙線，它們與星際物質相互作用後，會產生鋰、鈹、硼等次級宇宙線。因此，它們之間的比例關係，可以讓物理學家從中解讀出許多信息。

「難以想像，質子、氦、鋰的流強在同一地方出現了新現象，和傳統理論預測很不一樣。」丁肇中說，如果傳統理論與實驗數據不符合，那理論就是錯誤的。但是，該如何來解釋新現象？　這就給理論物理學家帶來了新課題。

▲AMS02 超導磁體和主結構

有些結果使存在多年的理論之爭得到了解決，比如硼-碳流強比例。傳統上，宇宙射線的傳播，可以用接近光速的氣體在磁性等離子體中的擴散效應來描述。不同的是，這次AMS-02測到了能量在650億電子伏特以上的硼-碳流強比例，在測量了230萬個硼核子、830萬個碳核子之後，發現它在這個區域並沒有顯著結構，推翻了很多宇宙線模型。而它與前蘇聯數學家柯爾莫哥洛夫在1941年提出的湍流模型，卻是相符合的。這讓一場70多年的爭議塵埃落定。

碳與氧的能譜是相同的——這說明它們有相同的來源；初級宇宙線的流強不隨能量而變化，但次級宇宙線的流強在高能區域則會減退很快；宇宙周期表上的原子的能量分布都與現有的宇宙線理論不符合……丁肇中說，很多無法想像的結果，都讓我們意識到，人類對宇宙的了解還很有限。

關於暗物質，AMS得到的結果都與暗物質的理論相符合。這點很振奮人心，儘管確認還需要更多的數據，耗費數年時光。

▲宇宙中大約有80%的東西不能被發現，天文學家稱這些失蹤物質為「暗物質」。圖為計算機模擬的黑洞

在宇宙中有數以百計種類的帶電基本粒子，其中電子、質子、正電子、反質子具有無限的壽命，因此它們可以一直在宇宙中穿梭旅行。在AMS之前50年，電子和正電子流強的測量結果誤差很大，產生了很多不同的理論猜測。而AMS的精確測量，讓很多事情變得清晰。比如，電子和正電子流強的強度不同，會隨能量變化而不同。丁肇中說，這是以前沒有想到的結果，因為以前大家認為，電子和正電子除了所帶電荷不同，其他特性應該是一樣的。

▲2014年，丁肇中領導的暗物質研究小組發布重大研究成果：根據國際空間站上阿爾法磁譜儀的首批觀測數據，已經找到了可以證明暗物質存在的6個證據中的5個

在宇宙中，宇宙線與星際物質碰撞，會產生正電子、反質子，而暗物質也會產生正電子和反質子。這些由暗物質產生的正電子、反質子，也可以被AMS測量到。AMS在對正電子進行探測時，發現從80億電子伏特開始，測量到的正電子流強超過傳統理論中宇宙線與星際物質碰撞所產生的正電子流強，而且這些正電子流強會在高能區域急劇下降。「這與質量為1T電子伏特的暗物質粒子模型相符合。」丁肇中說，AMS測得的正電子比例也與該模型符合。不過，脈衝星也會產生正電子。究竟宇宙中多餘的正電子來自何方？AMS所測得的反質子與質子的比例顯示，宇宙中有多餘的反質子，它們不可能來源於脈衝星。究竟結論如何，還需到2024年，積累更多數據來作出判斷。

猜想沒有意義：物理研究做實驗不能靠猜想

▲丁肇中介紹阿爾法磁譜儀

「您對外星人怎麼看？」「霍金的觀點您贊同嗎？」甚至「可否從您兒時所受的教育，給目前的中國家長提點建議？」面對來自媒體的各種提問，丁肇中的回答一律是「我不知道」。他說，作為實驗物理學家，他從來不習慣猜測，「猜想沒有意義，物理學是實驗的科學，再好的理論，如果沒有實驗證明，那也沒用。」

當丁肇中的結果發布之後，很多理論物理學家都開始忙碌起來，因為他們必須修改理論模型，來符合實驗得到的數據，或者根據實驗結論提出新的理論模型。然而，這一切都建立在一個基礎上：丁肇中所提供的實驗數據是迄今最為精確的。

丁肇中對於儀器精度的要求非常高。比如AMS中的核心部件——永磁體就是由上萬個不同形狀、不同大小的小磁塊拼成的64個磁化方向連續不斷變化的永磁條組成。這些小磁塊都得由50×50×25毫米的標準塊切割而稱，任何一個稍有偏差都無法拼出一個完整的環。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」，有的看「相貌」，多角度綜合評估空間粒子的身份，從中找出帶有暗物質、反物質「身份證」的粒子。

AMS要描述宇宙大爆炸後的完整鏡像，其難度不亞於「在一場暴雨中尋找一顆彩色的雨滴」。丁肇中說，他所要探索的關鍵，並不是回答「是否有反物質存在」，而是「尋找由反物質組成的宇宙」——如果宇宙起始於大爆炸，大爆炸之前是真空，那麼大爆炸之後應該有相同數量的物質與反物質。

因為原子和反原子具有相反的電荷，所以要找反原子，就必須用磁體來測量它在磁場中的軌道。由於物質和反物質在空氣中相互湮滅，反物質不可能在地面上探測到。

在900億宇宙射線事件中，AMS的確發現了電荷為-2，質量與氦3類似的事件。但目前，它們還只是被稱為「候選事件」，因為相對於900億的事件數量來說，只有當儀器信號-本底解析度超過十億分之一時，才能確定反氦核的確存在，而不是儀器記錄的「手誤」。然而，探測器的驗證很困難：首先磁場不能改變；其次，事例幾乎一年只有一次，非常稀少；第三，探測器模擬研究的精度要達到十億分之一。不過，丁肇中並不急躁：「我們需要幾年時間，進行詳細的探測器驗證，收集更多的數據，才能了解這些事例的來源。」

其實，對待每一個數據，丁肇中都非常慎重。「在過去50年，各種測量的誤差很大，得出的數據也各不相同，由此產生了很多理論模型。」丁肇中說，AMS的測量結果是最精確的，而且，在未來二三十年，人類也不可能再放一個同樣的儀器上天，所以每個數據都必須確保準確，不然會對物理學產生長期的消極影響。

同樣，「有沒有暗物質」不是問題，而「暗物質是什麼」才是問題。到底在宇宙中遊盪的正電子來自於暗物質的湮滅，還是脈衝星，AMS找到了一些線索，但還需要進一步確認。

丁肇中說，對於不能確認的事情，絕不可以輕易點頭。「好比說，你要我回答有關教育的問題，我無法回答。你可以去問社會學家、教育學家、心理學家，但我是個物理學家。」他在媒體見面會上說，「而且，我母親對我的要求只是身體好，但當時的中國處在抗戰時期，和現在的環境完全不同，所以這樣的問題我無法回答。」

「我沒有能力同時做兩件事情，但我從不做錯」

▲丁肇中早期照片

5年得到的數據，還只是AMS為人類帶來對宇宙新認識的開端。AMS-02將在國際空間站工作到2024年，以累積更多的數據。如果可能，它的工作時間還可能延長到2028年，甚至更久。丁肇中說，所有帶上天的東西，還可以再工作30年。

那麼，在此期間，除了接收與分析數據，丁肇中有沒有新的打算？比如研製精度更高的AMS-03？在媒體見面會上，丁肇中對此予以否認。他說，他從來不同時做兩個實驗，因為他感覺自己沒有能力，「我很認真，總是一件事情做完再做另一件。所以我從不出錯。」

▲1984年，鄧小平在北戴河會見丁肇中

的確，在他的團隊中，決定事情一般都通過討論，從來不採用投票這種「少數服從多數」的方式。他認為，在科學問題上，很多時候是「少數先知先覺者帶領大多數人」。每個月開會時，團隊中的任何人都可以提出問題與他討論，但在開會時不允許任何人隨意走動、倒水、私下議論，一定要認真聽別人說了什麼。只要讓丁肇中聽懂了，這件事情就可以做決定，如果這次沒聽懂，那就到下一次再來討論。

「我至今沒做過什麼錯誤的決定，所以大家願意相信我。」丁肇中說，他無法控制別人的經費，也不願意強迫別人留下，但大家願意支持他，他從來不知道經費匱乏是什麼感覺。

這支匯聚了十多個國家、600名優秀科學家的團隊，有很多年輕人，但他們極少會放棄。丁肇中說，很大一個原因，是在選人進入團隊時，就有了嚴格的遴選。

不過，丁肇中選人的方式只有一個——談話。他不會給人貼標籤，也沒有學歷、發表論文等錄用標準。他說，自己很少看專業論文，更不看專業書，因為那些都是過時的知識，而他們做的就是最新的，沒有別人的現成成果可以參考。所以，在招人時，他也不會考慮經驗，「剛開始，我的團隊里幾乎沒人有航天相關的經驗。」與經驗相比，他更看重的是思路，而這才是談話的重點。

在與應聘者談話時，丁肇中總讓對方問自己問題——這可以看出一個人的思路是否清晰。1980年代，曾有一個年輕的波蘭學者衣衫襤褸地來找丁肇中，說自己沒有學歷，但想當他的學生。當天兩人談完後，丁肇中就建議美國麻省理工學院(MIT)錄取這個學生，現在此人已經是MIT核能所的所長了。

在進入項目之前，丁肇中會告訴每個人：「除非你將這看成最重要的工作，如果不是這樣認為，那就千萬不要參與。」他認為，學物理是需要天賦的，更需要興趣，「來世界上走一次，應該服從自己的興趣。」他自己就將物理當作生命中最重要的一部分。

或許就是這樣的執著、睿智和毅力，讓丁肇中可以代表人類探索宇宙的未知——人類很可能正處在一個新的物理大發現的前夜。

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