丁肇中说,它是一片很迷人的“乌云”
2005年深秋,阿尔法磁谱仪-02的研制正在按计划顺利进行,2008年它将被发射升空,进行新一轮的反物质和暗物质探索。
反物质、暗物质之谜是悬浮在物理天穹之上的四朵“乌云”之一。所谓四朵“乌云”,是物理学最前沿的研究课题,是20世纪困扰全世界物理学家的物理学难解之谜,其中还包括类星体的超高能量、寻找自由夸克、超引力和超对称。在近十年的时间里,中国科学家与各国科学家一起,正在携手解读这朵“乌云”。
丁肇中认为,反物质、暗物质的确是一朵很迷人的“乌云”。
阿尔法磁谱仪-01于1998年6月随“发现”号航天飞机升空。此次飞行中阿尔法磁谱仪各子探测器工作正常,性能达到了设计目标,能正确区分各种原子核及其电荷。阿尔法磁谱仪首次飞行收集了2亿多个事例,其中80%为质子,20%为各种原子核,获得了许多重大物理成果,重大发现包括地球赤道上空正电子与负电子之比为4∶1,首次观察到宇宙线的第二个质子谱,赤道上空氦-3远远多于氦-4等。此外将反氦存在的上限降低到10-6。这是人类第一次在宇宙空间中直接测量的带电粒子,具有重要的科学意义,也为阿尔法磁谱仪在国际空间站长期运行奠定了基础。
实验进行了三年后,中国科学院外籍院士丁肇中在北京宣布:经过三年研究,原本是寻找反物质和暗物质的人类第一次太空物理实验——阿尔法磁谱仪实验已经取得了一些重要成果,并有意外发现。这些成果和发现,将有助于人类进一步探索宇宙中的最基本粒子,认识宇宙的起源。
在中国科学院创新战略论坛上,这位至今仍工作在科学最前沿的诺贝尔奖得主在题为《寻找宇宙中的最基本粒子》的报告中说,阿尔法磁谱仪显示的一系列现象,首次表明赤道上空400公里处存在一个围绕地球的质子环,质子环中向各个方向飞行的粒子强度相同,处于动态平衡状态。
“这些粒子都是高能宇宙线粒子与大气层三个特定区域碰撞产生的次级粒子,被地球磁场约束在这个‘环’中。”参与这项实验的中科院高能物理研究所所长陈和生研究员说。
让科学家感到意外的是,研究结果显示,赤道附近的正电子比负电子多一倍,而传统理论认为,宇宙是中性的,由数量相同的正电子和负电子组成。太空中,氦原子核的成分应该是氦-4占90%,氦-3占10%。但这一实验发现,在赤道附近,一个特别区域中只有氦-3。
“这又是一个奇怪现象。”丁肇中说。
“事实表明,实验的发现和原定的目标往往不同,阿尔法磁谱仪实验也不排除这种情况,因为我们毕竟站在科学的最前沿,无法预料究竟会发现什么。”丁肇中说,“这是人类第一次太空物理实验,今天看来意外的这些发现今后也许会觉得很正常。”
阿尔法磁谱仪得到了令人意外的巨大收获。
阿尔法磁谱仪未来将在国际空间站上长期观测宇宙射线,以揭开反物质、暗物质之谜。
英国著名的物理学家狄拉克早在1928年就预言了正电子的存在,他把正电子比作在真空的大海中生成的一个气泡。他觉得电子和它的反粒子——正电子都是从虚无中创生而来,或者说,电子一旦与正电子相遇,彼此便会消失得无影无踪。半个世纪以来,狄拉克的预言曾得到一片喝彩声,这倒不是因为他发现了一个真理,而是人们——大都是科学幻想家对他的奇思妙想佩服得五体投地。于是反物质从此成了离奇的科学幻想作品的绝好素材,所谓反物质宇宙、反物质人、反物质炸弹、反物质推进……从人们的头脑里源源不断地演绎出来。
根据相对论和万有引力定律,在宇宙的很多区域中,仅以我们能观察到的“亮物质”的质量计算,不可能产生现在观测到的这么大的引力,由此推断,要么是牛顿、爱因斯坦错了,要么存在既不发光、也不反光的暗物质,而且它们占宇宙总质量的比例高达90%。它们在哪里?它们由什么构成?人们一无所知。
破解“乌云”意义重大。
丁肇中说,他和中国科学家倡导并发起的这项研究眼前很可能根本没有用!但只是“眼前”没用,长远价值难以估量,这是基础研究的规律。量子力学创立之初,毫无用武之地,直到30年后才大放异彩;核物理学建立时,大物理学家卢瑟福预言,“任何人期望从原子的嬗变中获取能量都是荒唐的臆想”,然而20多年后,原子弹爆炸了,今天核科学的应用俯拾皆是。基础研究,是任何应用研究起飞的平台,具有远大目光的中国必须投入重兵。