反物質和暗物質

【反物質】 眾所周知，世界由物質組成。人類已知的物質是正物質，由原子組成。原子由帶正電的質子和帶負電的電子以及中性的中子組成。與此相反，反物質由帶負電的質子和帶正電的電子組成。迄今為止，人們還沒有在現實中找到反物質的存在有力證據。它會不會「藏身」於遙遠的太空呢？這是目前粒子物理學家和天體物理學家關注的焦點之一。【暗物質】 是宇宙中看不見的物質，也就是說沒有發出可見光或其他電磁波，用天文望遠鏡觀測不到。不過，暗物質同樣產生萬有引力，對可見物質產生作用。暗物質是科學家們苦苦尋找的另一個目標。現在人類所看到的天體，要麼發光，如太陽；要麼反光，如月亮。有跡象表明，宇宙中還有大量人們看不見的物質存在。科學家推算，根據現有的假說和觀察，科學家估計暗物質質量占宇宙總質量的９０％以上。

宇宙大爆炸假說【由來】根據大爆炸假說，我們所在的宇宙是在約１４０億年前由一個非常小的點爆炸而形成，宇宙產生物質的同時，也產生了反物質。兩者數量大體相當，其中「物質」多了一點點。儘管目前物質的存在顯而易見，但反物質存在的證據僅有實驗室觀測到的稍縱即逝的極微量反粒子。科學家認為，反物質無法在地球環境中存在，因為一旦遇到地球上的物質，二者將湮滅，不過反物質在太空中可能存在。【阿爾法磁譜儀（ＡＭＳ）】 主要本領基於其強大而特殊的磁場。帶電粒子進入磁場後軌跡會發生變化，不同帶電粒子的軌跡變化也不同，而不帶電的粒子的軌跡則不會發生變化，因而觀測粒子進入這一磁場後軌跡是否變化，變化程度有什麼不同，就可以推知這是何種粒子。與天文望遠鏡觀測物質發出的可見光和電磁波不同，磁譜儀直接觀測粒子本身。因而，磁譜儀能夠發現天文望遠鏡無法發現的暗物質和反物質。【「阿爾法磁譜儀（ＡＭＳ）」實驗】 是以在空間尋找反物質和暗物質為使命的大型國際合作科學實驗項目。「阿爾法磁譜儀」實驗上世紀９０年代啟動，它由諾貝爾物理學獎得主、華裔美國科學家丁肇中教授領導，美、中、法等１６個國家和地區的數百名研究人員參與其中。這一項目被認為是繼人類基因組計劃、國際空間站計劃、強子對撞機計劃後的又一個大型國際科技合作項目。「阿爾法磁譜儀１（ＡＭＳ－０１）」——是人類送入宇宙空間的第一個大型磁譜儀。１９９８年６月由美國「發現號」太空梭搭載，在距離地球表面約４００公里的高空成功進行了為期１０天的首次太空試驗飛行。受美國「哥倫比亞」號太空梭失事影響，ＡＭＳ實驗幾度受挫。此後，科學家開始研製ＡＭＳ–０２。「阿爾法磁譜儀２（ＡＭＳ–０２）」——於２０１１年５月１６日由美國「奮進號」太空梭搭載到國際空間站上長期運行。「ＡＭＳ－０２有強大的接收度，很高的粒子識別能力和能量測量水平。中國是ＡＭＳ實驗參加國之一。中科院電工研究所、中科院高能物理研究所、中國運載火箭技術研究院等單位最早參與了這項國際合作，並成功研製出其核心部分——永磁體系統。科學家曾嘗試用超導磁體代替永磁體。儘管這種方法可以產生更強的磁場，但超導磁體需要液氦冷卻，太空中無法補充液氦，這樣磁譜儀壽命只有３年。而使用永磁體的磁譜儀的使用壽命長達１８年至２０年，所以專家們決定沿用永磁體。此外，ＡＭＳ－０２在ＡＭＳ－０１的基礎上增加了若干新的子探測器。其中，中科院高能物理研究所與中國航天科技集團公司的科學家和義大利、法國科學家共同研製出作為探測器關鍵部分的電磁量能器。據悉，ＡＭＳ－０２的數據正源源不斷地由中繼衛星從太空站下載到新墨西哥州白沙基地，隨即傳輸到歐洲核子研究中心。電子和γ是尋找暗物質的關鍵探針。安裝於ＡＭＳ－０２上的電磁量能器由高能所和中國運載火箭技術研究院與法國、義大利專家聯合研製而成。此外，中國科學家對這些宇宙線事例進行了鑒別，利用磁譜儀測的動量給出了質子、氦、鋰、鈹、硼和電子的初步能譜。

中國科學家啟動「阿爾法磁譜儀2」物理分析工作阿爾法磁譜儀在空間站安裝就位

阿爾法磁譜儀中的中國貢獻阿爾法磁譜儀與神秘物質

咬定青山不放鬆——記阿爾法磁譜儀項目首席科學家丁肇中

踏上絕唱之旅的「奮進」號太空梭阿爾法磁譜儀陪伴「奮進」號太空謝幕咬定青山不放鬆 記阿爾法磁譜儀項目首席科學家丁肇中2011年05月16日 22:14:40 　來源： 新華網

新華網華盛頓５月１６日電（記者葛相文　任海軍）好事多磨。經歷了多次推遲發射事件之後，阿爾法磁譜儀２終於在美國東部時間１６日上午搭乘「奮進」號太空梭升空。１７年來，從醞釀到組織實施再到發射，磁譜儀項目的每一步進展都凝聚著項目首席科學家丁肇中的大量心血；１７年來，正是丁肇中的堅韌不拔，支撐著項目闖過一個個難關。「磁譜儀項目是我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」，丁肇中說。他發現Ｊ粒子只用了不到兩年的時間，而磁譜儀項目卻讓他及其國際團隊奮鬥了１７年。磁譜儀項目的關鍵是將一個桌子大小的磁體送入太空，目的是尋找宇宙中的反物質和暗物質，探索宇宙的起源和演變。然而，自１９９４年提出創意以來，這項實驗面臨長期懸而未決的問題——大型磁體上不了天，因為大型磁體有漏磁和二極磁矩問題，都會嚴重干擾航天器飛行。１９７２年，曾有科學家提出過類似磁譜儀的計劃，但終因無法解決上述問題而放棄。丁肇中找來許多國家的科學家，英國人、美國人、俄羅斯人，但都找不出好方法。１９９４年，丁肇中偶然在美國一份文獻中看到中科院電工所的論文，發現中國能製造很好的磁鐵，於是飛到北京，造訪電工所。電工所提出的永磁體方案具有重量輕、無漏磁、無二極磁矩及磁場均勻等優點。丁肇中把中國的方案帶回美國，獲得一致肯定，１９９５年，與中方簽署了合作合同。「近４０年無法解決的難題，最後還是由中科院電工所給解決了，」丁肇中欣慰地說。磁譜儀項目耗資近２０億美元，這是粒子物理領域最前沿的實驗，也是繼國際空間站等大型科研項目後，又一個國際科技合作的典範。但它的實施卻充滿了非議與波折。對於磁譜儀項目，美國一直有不少科學家認為，浪費２０多億美元進行這樣的研究沒有實際意義。不過，丁肇中不為所動。「我從１９６２年到現在成功做過七八個實驗，沒有一個不受到其他科學家的反對。人家問我，大家反對你，你有什麼意見，我說我認為他們錯了」，丁肇中告訴記者，「科學是多數服從少數，只有少數人把多數人的觀念推翻以後，科學才能向前發展。因此，專家評審並不是絕對有用的，因為專家評審是依靠現有的知識，而科學的進展是推翻現有的知識。」技術困難通過聯合攻關解決，難不倒丁肇中；經費不足，通過多方闡述實驗的意義去爭取，難不倒丁肇中……然而，一場突如其來的變故卻差點難倒他。２００３年，「哥倫比亞」號太空梭重返大氣層時意外爆炸，７名宇航員遇難，美國航天計劃陷入困境，原定於２００５年用太空梭運送磁譜儀的計劃被取消。當時尚在歐洲核子研究中心的丁肇中聞訊後心情非常沉重，也一度消沉。畢竟，改變一個國家的航天計劃太難了。不過，天道酬勤。２００５年，丁肇中利用就美國的科學現狀在參議院一個聽證會上發表講話的機會，在僅有的５分鐘內，通過９個幻燈片為基礎科學以及自己的實驗做了充滿激情的辯護。最終，美國國會通過一項立法，命令航天局為這項實驗增加一次太空梭飛行。「我朋友告訴我，這是在美國歷史上，國會首次命令政府去做一個實驗。通常國會不會管這類事」，丁肇中說。隨後的好幾年時間，美國航天局局長和官員都對丁肇中產生誤會，認為他不尊重政府的權威，《紐約時報》和《華盛頓郵報》還曾整版就此爭論，丁肇中的回應是「我不是政府僱員，我只是麻省理工學院小小的教授」。如今，克服了千難萬苦後，磁譜儀終於升空，不過丁肇中認為，這只是在一場馬拉松比賽中邁出的「第一步」。的確，項目今後的任務將更加艱巨，對磁譜儀傳回的海量數據進行分析對項目組而言將是更嚴峻的挑戰。丁肇中的計劃是分別組建兩個分析團隊，獨立分析數據，避免產生誤差，因為如果只建一個團隊，「一不小心做錯了，影響整個科學研究」。在訪談中，丁肇中曾將磁譜儀比作自己的第四個孩子，看著它從無到有、從小到大，再到如今將遠離自己而去，丁肇中不說苦，不言累，更多的是欣慰。「我會每天下午在歐洲核子研究中心通過視頻與它見面」，丁肇中說。這就是丁肇中，一個咬定青山不放鬆的「小小」教授。
推薦閱讀：