驚艷世界的阿爾法磁譜儀：有一顆「中國心」，等待了13年

阿爾法磁譜儀。來源：美國宇航局AMS網站

平均每2秒，阿爾法磁譜儀（AMS）會測量1000個宇宙線事件。通過分析這些數據，人類或許可以揭開暗物質和反物質的神秘面紗，知曉宇宙誕生之初的故事。

2011年5月，阿爾法磁譜儀隨著美國國家航空航天局的「奮進號」太空梭進入太空，固定在國際空間站，每90分鐘繞地球一周，捕捉宇宙射線中暗物質和反物質的「蛛絲馬跡」。這是人類送入宇宙的第一個大型磁譜儀，進行精確粒子物理實驗。目前人類所能認知的物質只佔宇宙構成的4%，剩餘96%則是暗物質和暗能量，仍是物理學中沒有解開的謎團。

時隔5年，阿爾法磁譜儀已經累計測量了900億宇宙線事件。北京時間12月9日，在瑞士日內瓦歐洲核子研究中心，項目主持者丁肇中教授發布了阿爾法磁譜儀的「五年成績單」。其中令人驚喜的是，AMS觀察到了幾個反氦3，這一結果震驚了世界，因為它可能是宇宙存在反物質的證據。

「尋找反氦原子核是阿爾法磁譜儀最初的主要科學目標之一，」中國科學院高能物理研究所研究員、中國科學院院士陳和生是首批參與阿爾法磁譜儀項目的科學家，他告訴澎湃新聞（www.thepaper.cn）：「丁肇中先生對科學非常謹慎。反氦3要排除所有其他來源的可能。宇宙線的粒子打擊到探測器上，會不會產生反氦3？根據我的了解，這是他們現在還在深入考慮的問題。」

陳和生出自丁肇中門下。1994年，當丁肇中開始有了將磁譜儀放置在太空進行實驗的科學創意，陳和生成為最早加入這項科學計劃的中國科學家之一。「大型磁體是磁譜儀的核心。把大型的磁體放到宇宙中去一直是科學家的一個夢想。」陳和生說。

在阿爾法磁譜儀之前，漫長的時間裡，人類對太空的理解主要基於地面上或者太空中望遠鏡的觀測數據。宇宙射線會被地球大氣層吸收而攔截，要想研究宇宙射線，探究反物質和暗物質，需要去太空中觀察。宇宙射線是一種帶電粒子，需要一個磁鐵來讓它轉彎，辨析原子核是帶正電還是負電。電子帶的是負電，而它的反粒子則帶正電。

而「把磁體送到太空」之所以成為科學家的夢想，是因為這看似是一件不可能完成的任務。曾有科學家在1972年有過類似想法，但知難而退。丁肇中說：「這是我40多年裡遇到的難度最大的實驗，甚至比當初為我帶來諾貝爾獎的發現J粒子的實驗還要困難得多。」

丁肇中

解決這一難題的正是中國科學家。

陳和生回憶，漏磁和磁二級矩是橫亘在科學家面前的兩座大山。

漏磁在磁體上天后會影響航天設備的運行，磁二級矩則是磁體會受到地球磁場的影響而轉動，要消耗能量來抵消。多國科學家對此束手無策。魔環結構可以攻克這兩大難題，而中國科學院電工研究所恰好在做核磁共振的磁體時積累了經驗，可以製造出符合條件的永磁體。

「首先是設計出沒有漏磁和磁二級矩的磁體，並在限定的重量範圍之內，達到要求的磁場均勻性和強度。」陳和生說，依靠歐洲核子研究中心的計算機系統，用現代高能物理多參數的優化，中科院高能所和中科院電工所一同設計出最終的方案。

但這還只是完成了一半。「它是要上天的，美國宇航局對安全性的要求非常高，何況，這是美國太空梭第一次搭載中國製造的大型載荷，而且是第一個送入宇宙的大型磁體。如果有任何閃失，毀壞了太空梭，後果不堪設想，所以有非常嚴格的評審。」陳和生說。中國運載火箭技術研究院（航天一院）用20多倍重力加速度的衝擊實驗來模擬離心實驗，確保磁體在發射、降落的嚴苛環境下平安無事。

最終，採用被稱為「磁王」的釹鐵硼稀土材料，64段磁條沿著環形圓周分布，內徑1.1米，外徑1.4米，厚0.8米，重2.6噸的磁體建成，精度比美國宇航局要求的高出一個數量級。在此前接受新華社採訪時，陳和生難言自豪之情：「從設計到製造，再到測試，整個過程都在中國完成，可以說是百分之百的中國製造。」

阿爾法磁譜儀的核心部分：內徑1.1米，外徑1.4米，厚0.8米，重2.6噸的環形巨大永磁體。

驗收環節的「打破紀錄」在意料之外。美國對太空梭搭載的載荷要求極其嚴苛，據丁肇中此前透露，連做螺絲的人，美國宇航局都要問清楚，是誰做的，教育背景是什麼樣的。一般而言，美國宇航局對送上太空的大型載荷有三輪安全評審，而這次，只有兩輪就敲定了。「他們說你們已經回答了所有的問題了，不需要再做第三次了，這是美國宇航局歷史上第一次。」

曾擱置13年才得以送上太空

一個科學設想的落地沒有耗去太長時間。1994年有了設想，1995年完成初步方案，1997年3月，作為阿爾法磁譜儀的核心部件，製備完成的永磁體從中國運往美國，裝有它的集裝箱剛好可以放進波音747貨機。緊接著，1998年6月，在美國約翰遜航天中心，「發現號」太空梭搭載著裝有「中國心」磁體的「阿爾法磁譜儀1」進入太空。

「阿爾法磁譜儀1」是一次飛行試驗，此前從沒有精密的高能物理探測器上天。當時，國際空間站尚未建成，「發現號」在太空中飛行了10天後，安全回程，降落在肯尼迪發射中心。

但從「阿爾法磁譜儀1」到「阿爾法磁譜儀2」，中間卻相隔了整整13年。因為「哥倫比亞號」太空梭執行任務時意外爆炸，航天安全問題成為牽絆，原定在2005年將「阿爾法磁譜儀2」送至太空的計劃被擱置。

丁肇中沒有就此氣餒。16個國家、56個研究機構的科研人員參與項目，耗資20億美元，眼看一切準備就緒，卻在最後實施環節被中止。丁肇中一邊想替補方法，一邊努力說服美國國會。2008年，美國國會通過相關法案，以立法的形式為阿爾法磁譜儀項目「保駕護航」。

這才有了2011年5月的歷史性一刻。「奮進號」完成了它退役前最後一次任務，將「阿爾法磁譜儀2」運至太空，開展科學實驗。而磁譜儀內部的永磁體依然是13年前中國製造的那座，永磁體經過歲月流逝，性能沒有變化。

如今，阿爾法磁譜儀已經「服役」5年，未來只要國際空間站還能運作，它也將繼續它的使命。2024年，在國際空間站退役之前，阿爾法磁譜儀會幫助人類「解碼」暗物質和反物質嗎？又或許，阿爾法磁譜儀會帶來意外的科學驚喜？