“科学狂人”丁肇中:AMS命运多舛他始终坚持

2011-5-24 15:03 来源: 文汇报
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经过16年的努力,以及15亿美元其他人提供的资金,美国宇航局和丁肇中展示成果的时候就要到来了。

  上周四,随着“奋进号”航天飞机升空的“阿尔法磁谱仪2号”(AMS-02)被送入国际空间站,开始其为期10年以上的宇宙反物质的探寻之旅,该国际科学项目的负责人、诺贝尔奖获得者丁肇中博士再度为世人瞩目。丁肇中缘何要历时17年,坚持实施这个备受争议、坎坷不断的AMS项目,他为此付出了何等努力?前不久的《自然》和《纽约时报》等媒体作了披露——

  “真正的发现是在现有的知识圈之外。”

  “如果我们什么也不做,不去进行检测,那我们永远也不会知道真相是什么。”

  ——丁肇中

  肯尼迪航天中心一个无尘室中,被一大群技术人员围绕着的巨大设备就是重达6.7吨的阿尔法磁谱仪,它将进入太空,承担起有史以来最雄心勃勃、最复杂的实验任务。这一实验如果成功,将帮助NASA在回答宇宙是由什么构成的这个问题上迈进一大步,并给国际空间站和著名的物理学家带来荣耀,但如果失败,也将给持反对意见者提供反对这一实验的证据。

  被命名为阿尔法磁谱仪(AMS)的这一装置,其目的是为了探测太空中的高能宇宙射线粒子,寻找宇宙中的反物质。阿尔法磁谱仪也许还能给我们带来一些意外的惊喜。“真正的发现是在现有的知识圈之外,”去年8月间,丁肇中,这位70多岁的诺贝尔奖得主、麻省理工学院教授、宇宙射线探测项目负责人在欧洲粒子物理研究所的实验室里如此说道。

  丁博士是一位科学“狂人”,他用一生的时间带领着一大批物理学家进行着物理学领域内的探索。1974年他发现了将彻底改变物理学的粒子,但因他花了很长时间对研究结果反复检验,希望找出更多的粒子,在这段时间里,另一个实验室也发现了这种粒子,于是最后丁肇中与美国科学家伯顿·里克特共享了1976年的诺贝尔物理学奖。

  阿尔法磁谱仪的实验始于20世纪90年代初,当时尽管他在物理界的威望,丁博士却未能在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机实验中充分发挥作用,于是他将目光投向了太空。根据物理学原理,同等数量的物质,和它邪恶的双胞胎反物质,在互相接触的一瞬间,普通物质就会被湮灭,同时释放出能量,这种反物质应该是在宇宙大爆炸时产生的,这也是科学界长期以来的一个未解之谜。如果能够发现重于反氦的原子核,是否意味着在宇宙某个地方可能存在着反物质恒星甚至整个反物质星系呢?“但如果我们什么也不做,不去进行检测,那我们永远也不会知道真相是什么,”丁博士说道。

  AMS命运多舛他始终坚持

  “如果出现什么问题,我就是那个该承担责任的人,我所有的精力都放在了这件事上。”

  ——丁肇中

  1994年,当时的美国宇航局局长丹·戈尔丁正在寻求有价值的科学构思,特别是能够让国际空间站扬名的东西,前苏联空间研究所负责人罗尔德·萨格戴夫向戈尔丁提到诺贝尔奖获得者、粒子物理学家丁肇中的一个想法,即:将磁铁运载到太空,检测对来自遥远恒星发出的粒子流,寻找反物质。“戈尔丁说‘好吧,这家伙在哪儿呢?我要立即见到他,’”萨格戴夫回忆道。

  很快,丁博士有机会与丹·戈尔丁会面,他对戈尔丁先生说道,如果有一个以空间站为基础的宇宙射线探测器,他就可以进行这种测量。戈尔丁立刻被这个建议吸引住了,同意将磁谱仪安置在国际空间站。这一决定绕过了宇航局的正规同行审查程序,引起了一些宇宙射线物理学家的不满。这一计划吸引戈尔丁的部分原因是航天局不必出钱,大批资金来源于丁博士在国外的大批合作者,来自16个国家和地区的600名科学家,其中包括意大利、德国、俄罗斯、中国等。 

  1995年,当时在美国麻省理工学院任教授的丁肇中获得了戈尔丁的合作协议,美国宇航局同意他的阿尔法磁谱仪(AMS)在空间站里占据一席之地,并用航天飞机将它运载到空间站。该协议的部分内容包括,美国宇航局不必为阿尔法磁谱仪的建造买单,事实上,丁肇中从美国能源部和国外获得了大部分的资金。

  丁肇中终于做到了他想要做的事情。1998年光谱仪样机建成,并搭载在同年6月的“发现号”航天飞机上试飞10天获得成功。经过13年的努力和15亿美元的投入,一个由来自16个国家和地区的物理学家组成的庞大科研团队已完成了阿尔法磁谱仪实验的大部分工作,只需最后的点睛之笔,实验就将圆满完成。但在2003年“哥伦比亚号”航天飞机解体,造成7名宇航员丧生的事故后,丁博士和阿尔法磁谱仪的命运急转直下,美国航空航天局宣布航天飞机时代结束,原定的2005年载运阿尔法磁谱仪进入太空的计划被取消。谈及当时的感受,丁肇中说,“那是我第一次在面对挫折时,感到自己有一种无能为力的感觉。”

  2005年,丁博士开始为阿尔法磁谱仪的命运力争,应邀在美国参议院就美国科学发展现状发表讲话时,他利用了他的5分钟发言时间和9张幻灯片,宣讲了他的基础科学研究实验,令观众大为鼓舞,“他们很惊讶地听到,空间站也能为科研出大力。”丁博士回忆说。

  在之后的几年里,一些强势的参议员,如阿拉斯加州的特德·史蒂文斯、佛罗里达州的比尔·纳尔逊和德克萨斯州的凯·贝利·赫切森对丁肇中的计划都表示出了极大的兴趣,他们有的从头到尾看完丁博士展示的幻灯片,有的参观了他在欧洲核子研究中心的研究项目。最后,美国国会命令美国航空航天局为丁博士的实验提供一架航天飞机。

  “在奥巴马就职典礼后的三天,阿尔法磁谱仪又重新回到了航天飞机的载货单上,”丁博士说道。

  2008年,在华盛顿五月花酒店的一间华丽的餐室内,丁肇中接受了纽约时报等重量级媒体记者的访问。他坐在一张椅子上,打开面前的笔记本电脑,里面有着大量的文件和图表,甚至还有纽约时报上表彰他过去成就的一些剪辑资料。“所有技术上的细节我都一清二楚,”他说,“如果出现什么问题,我就是那个该承担责任的人,我所有的精力都放在了这件事上。”丁博士说,在过去13年里的每一天,阿尔法磁谱仪都是他关注的唯一重点,在它身上丁倾注了全部的热情,也给他带来了许多的烦恼,除了1998年AMS-01号原型机被装载在发现号航天飞机上进行太空飞行时的那10天之外,当太空射线通过阿尔法磁谱仪的环形磁铁,收集着信息并传来太空粒子的数据时,丁肇中觉得自己得到了真正的放松。

  发现宇宙大爆炸遗留下来的反物质是一个非常诱人的想法。但每次面对“我们将看到什么”、“阿尔法磁谱仪能否给天文学研究带来新的发现”之类的问题,丁肇中都会以他惯常的缓慢而轻柔的声音说道,“是很难预料得到的。”但在丁肇中的心里,真正期待的是阿尔法磁谱仪有可能带来完全意料不到的发现。

  面对质疑他不为所动

  “我拒绝你们的拒绝。”“物理学的进步就在于不断地推翻别人的理论。”

  ——丁肇中  

  但是,除了丁博士等很少人外,大多数理论物理学家并不认为这一实验能够发现任何原始反物质。他们得出的结论认为,原始反物质在宇宙大爆炸后的最初时刻就消失了。“最初的目标物早已经灰飞烟灭,”美国密歇根大学宇宙射线物理学家格雷格·塔尔勒说道,他对这项实验一直持批评意见。

  AMS项目的众多反对者认为他们能够预测到这一项目的最后结果,目前没有理论让他们相信丁肇中与戈尔丁所说的反物质原子核的存在。另外,他们还说,目前用在AMS项目上的资金,可以用在更重要的地方,比如得到天体物理学界评估认同并被列为优先考虑的一些项目之上。对此丁肇中不为所动,1976年,他在诺贝尔奖演讲中以谨慎的实验证明了一些理论科学家的谬误。他说,当与某种理论产生分歧之时,实验结果是最具说服力的,他以不容置疑的口气强调道,“物理学的进步就在于不断地推翻别人的理论。”

  两年前欧洲卫星帕梅拉发现超过正常的正电子,也许是暗物质粒子碰撞的结果,这暗示着太空中可能有暗物质存在。虽然卫星无法分辨正电子与质子,而阿尔法光谱仪可以,“它会告诉我们,这些东西究竟是有还是没有,”欧洲粒子物理研究所的理论物理学家约翰·埃利斯说道。包括埃利斯博士和丁博士在内的一些物理学家认为,来自暗物质的正电子应该拥有独特的光谱特征,利用宇宙射线光谱仪可测量到,如果发现它遵循某种模式,丁博士说,“每个人都会认为它就是暗物质。”但许多物理学家认为只有从粒子加速器实验获得直接的探测数据,才能认为发现了暗物质。

  即使是丁博士的支持者也为阿尔法磁谱仪实验实施过程中的一些曲折而感到困惑。在发射的日子最后定了下来之后,丁博士宣布他将用较弱的永久性磁铁替代原型机太空飞行时所用的超导磁铁,这意味着他将错过将阿尔法磁谱仪运送到卡纳维拉尔角发射场的最后期限。美国航天局及时作出了反应,将飞行时间推迟到了2011年。丁博士为在最后时刻进行的改变提出了两个原因。2010年2月里进行的真空室测试表明,需要用氦冷却超导磁体,超导磁体也将在短短的两年内失去超导性,而在太空中让其恢复超导性并不是一个理想的选择。

  在丁博士看来,国际空间站的寿命已从2015年延长至2020年或2028年,不可能让一台失效的机器在多年的时间里占用着空间站里的空间。丁博士说,永久磁铁磁场较弱的缺点,因设备更长的使用时间,以及在粒子跟踪阵列设计上的些微改动而完全得以抵销,事实上,丁博士将其称之为对阿尔法磁谱仪的一次“升级”。“如果空间站于2015年就停止使用,我们不会改换磁铁,”他说。

  这次改变,导致了原来对这次实验就有所质疑的一些科学家提出了新一轮的批评意见,他们怀疑运载阿尔法磁谱仪进入太空飞行是否安全。航天飞机工程师则表示,对此次阿尔法磁谱仪的改变,他们感到欣慰,因为可以不用使用液态氦,液态氦存在着有可能汽化爆炸的危险,正如两年前在大型强子对撞机上发生过的那样。加州理工学院的巴瑞·巴里斯曾协助能源部对该实验项目进行过评价,巴里斯在一封电子邮件中说,尽管这一原先已被批准的实验在实施过程中“有明显缺陷”,但还是应该按原计划发射飞行。“我不会和Samuel(指丁肇中)对着干的,”他补充道。

  AMS项目团队认为天体的带电粒子(也称为宇宙射线),是探索粒子物理学尚未解决的一个问题的窗口:为什么宇宙主要是由物质,而不是由反物质构成的?这至今仍是一个谜。但研究人员希望这次实验能发现,宇宙是否如人们所认为的那样,绝对完全地排斥反物质。如果有任何反物质逃脱了早期宇宙时被湮没的命运,那么这些“流亡”在宇宙中的反物质今天应该仍然存在着。

  AMS还面对着来自另一方面的阻力,AMS计划首次提出时,对反物质宇宙射线的检测几乎没有进行过多少尝试,但一个观察宇宙的新窗口正在被慢慢打开。气球携带的超导光谱仪实验(BESS)曾在南极洲高空的宇宙射线中寻找反物质,2006年发射的欧洲卫星帕梅拉(PAMELA)也于2008年检测到了太空中存在着的过量正电子。这两者能得出原始反物质存在的结论吗?也许不能。“那么AMS能提供BESS和PAMELA所无法提供的这个基本问题的答案吗?”美国宇航局戈达德太空飞行中心的约翰·米切尔道,“答案是,也许不能。”但这并不意味着AMS没有找到原始反物质的机会,但这个机会之窗显然被关小了不少。

  美国航空航天局天体物理学咨询委员会主席克雷格·霍根在2008年2月的一封信中指出,“与其他任务相比,科学价值不很显然的任务都会给天体物理学的整体状况带来危害。”丁肇中对此则回应指出,AMS计划不属于美国宇航局天体物理学的任务,没有用过美国宇航局科研拨款的钱,也没有美国航天局的科学家参与到这项研究工作中来。至于其科学价值的审查,他指出,除了经过欧洲多个机构的审查之外,美国能源部也分别于1995年、1999年和2006年对AMS项目进行了审查。欧洲粒子物理研究所的物理学家大卫·斯蒂兰德回忆道,“Samuel毅然站出来说:‘我拒绝你们的拒绝’。”