我所經(jīng)歷的物理實驗(續(xù))

丁肇中

(美國麻省理工學(xué)院，美國 馬薩諸塞州 波士頓)

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·校長·名人訪談·

我所經(jīng)歷的物理實驗(續(xù))

丁肇中

(美國麻省理工學(xué)院，美國 馬薩諸塞州 波士頓)

丁肇中教授

首先論述了基礎(chǔ)研究與技術(shù)應(yīng)用的關(guān)系，指出技術(shù)的發(fā)展是生根于基礎(chǔ)研究之中。然后介紹了作者自己做的4個物理實驗的內(nèi)容意義以及從每個實驗中總結(jié)出來的體會。

實驗； 物理實驗； 基礎(chǔ)研究； 應(yīng)用技術(shù)

2.4 現(xiàn)在做的實驗，就是尋找宇宙的起源

目前我領(lǐng)導(dǎo)的實驗(圖5)是在國際空間站上進(jìn)行的AMS實驗(參閱本刊2013.No.3)。國際空間站是在夜空中除了月亮和星星以外最亮的星。這個實驗，是研究宇宙以前的情形，最主要是光，這方面最重要的記錄是1054年中國天文學(xué)家觀測到的超新星。這是從哈勃望遠(yuǎn)鏡看到兩個星系碰撞，一個星系就被另外一個星系吃掉了。所以在國際空間站上的基礎(chǔ)科學(xué)研究中，第一，有兩種宇宙射線，一個是光，我們已經(jīng)研究幾百年了，例如哈勃望遠(yuǎn)鏡的研究發(fā)現(xiàn)；現(xiàn)在除了光以外，還有帶電的宇宙射線，因為帶電，就一定有質(zhì)量，因為帶電就必須有磁場。AMS放置在國際空間站上，長時間測量高能帶電的宇宙射線。這是美國、中國、俄羅斯、芬蘭、法國、德國、意大利、瑞士等16個國家和地區(qū)首次在空間領(lǐng)域方面合作的實驗，有60個大學(xué)和研究所、600多位科學(xué)家共同參與。

圖5 探索宇宙基本結(jié)構(gòu)實驗

因為從來沒有人把磁體放在身上，所以美國的宇航局就說，我怎么知道你做的事情是對的，你先把磁體放在航天飛機(jī)上飛行10天。我們中國科學(xué)院電工所、航天部一院、MIT研制的磁體克服了磁體在太空使用的基本困難。這個實驗的成功，獲得了1998年世界十大科技新聞，就是阿爾法磁譜儀首次升空運(yùn)行正常，6月2日，裝有中國制造的巨大永磁體的阿爾法磁譜儀首次搭乘美國發(fā)現(xiàn)號航天飛機(jī)升空。

成功之后，我們就開始準(zhǔn)備第二個實驗，2005年，美國有一架航天飛機(jī)失事，美國宇航局就說再也不用航天飛機(jī)做實驗了，把所有的實驗都取消，唯一不同意這個決定的就是我，我說你這個決定是錯誤的，花了1 000億美金，一次失事就取消所有的實驗是不明智的，后來到2008年，美國參議院、眾議院全體通過了一個法律，指示宇航局為我們增加一班航天飛機(jī)，把AMS送入國際空間站。因為是全體通過，總統(tǒng)就不能否決，雖然布什總統(tǒng)不贊同，但是也不得不簽署這個法律。到2008年，奧巴馬競選總統(tǒng)的時候，他也贊成國會增加至少一次的航天飛機(jī)航班用于有價值的任務(wù)。

被送上太空的儀器體積5×4×3米，重7.5噸。這是首次在太空中進(jìn)行的大型精密物理實驗，最重要的是，所有的探測器都是我們自己發(fā)展的新技術(shù)，從來沒有人做過，絕大多數(shù)人認(rèn)為這是不可能的。

穿越輻射探測器主要來自德國，美國和意大利參與，它的主要任務(wù)是分辨正電子和負(fù)電子。硅微條探測器共9層，有20萬個電子信號通道，坐標(biāo)精確度10微米，中山大學(xué)也有重要貢獻(xiàn)。環(huán)形切倫科夫服探測器，分辨原子核，測量它的能量，有11 000個光電倍增管。電磁量能器，5萬根直徑為1毫米的光線，均勻分布在600公斤的鉛中。做完了以后，儀器送到天上是正確的，送上天以前，我們就放在周長27公里的加速器里，模擬所有的宇宙線，進(jìn)行長期的測量。測量之后，離發(fā)射的時間已經(jīng)很近了，原來我們想用一架德國航空公司的波音747運(yùn)輸機(jī)，但必須把我們的儀器分成兩份，后來我考慮了一下，用20萬條電子信號通道，分成兩份，有一定的危險，所以我就借了一個C5運(yùn)輸機(jī)在肯尼迪航天中心降落，就在空間站處理中心停了五六個月，然后送到發(fā)射臺上。在肯尼迪航天中心最主要的一個任務(wù)，就是讓我們的儀器與比例相同的空間站做接軌的實驗，表示到了太空能裝進(jìn)去，如果裝不進(jìn)去就比較困難了。

起飛前幾天，我要求發(fā)射臺里所有的工作人員和工程師及警衛(wèi)人員都離開我遠(yuǎn)一點(diǎn)，過了很久的時間，我單獨(dú)地想了想，想了好幾個鐘頭：在過去的16年，很多國家一起合作，每一個重要決定我都想了，有沒有錯誤的決定，有沒有值得懷疑的地方，如果不能肯定萬無一失，就不能讓它起飛。我坐了很久，沒有想出錯誤，就離開了。我離開以后，他們就開始讓這6個宇航員到發(fā)射臺上。2011年5月16日上午，航天飛機(jī)為送7.5噸離地面700公里的地方需要的燃料起飛，航天飛機(jī)的重量是110噸，外掛的氫和氧756噸，兩個固定火箭是1 142噸，總共是2 008噸。

國際空間站每90分鐘繞地球一周，速度是每小時2萬公里，45分鐘在白天，零上40度，45分鐘在夜晚，零下20攝氏度，白天的時候，輻射板反射太陽能，太陽能板遮蔽太陽能，所以每90分鐘，溫度的變化非常大。

向大家介紹一兩個最新的結(jié)果，大家千萬記住，物理上的東西基本原理是非常重要的，升空到現(xiàn)在，我們收到540億個宇宙線數(shù)據(jù)，這大大多于過去100年全世界搜集到的宇宙線的總和。在未來20年，我們會搜集到3 000億個數(shù)據(jù)，這將提供前所未有的精度，以探索宇宙的起源。

我現(xiàn)在的實驗有兩個目標(biāo)。

(1) 第一個目標(biāo)，尋找宇宙中的暗物質(zhì)。宇宙中90%的物質(zhì)是看不見的，因為看不見，我們叫它暗物質(zhì)(圖6)。宇宙線包括質(zhì)子、電子、氦，這些射線碰撞的時候會產(chǎn)生能量，會變成質(zhì)量，會產(chǎn)生正電子，暗物質(zhì)，我們叫作中性微子，碰撞的時候會產(chǎn)生額外的正電子。這些額外的正電子，都會被我們精確地測量到。

圖6 暗物質(zhì)實驗結(jié)果

如圖6是去年我們的實驗結(jié)果。圖中斜率一定的綠色直線，代表宇宙線碰撞產(chǎn)生的正電子比例，紅點(diǎn)(AMS在空間站上的數(shù)據(jù))所描成的曲線是我們得到的結(jié)果，顯然和宇宙線碰撞產(chǎn)生的正電子比例是不一樣的。

今年我們又收到更多的數(shù)據(jù)，也就能夠描繪完整的這張圖片：第一，什么時候正電子比例開始上升；第二，上升的時候是不是平滑；第三，什么時候停止上升——這個曲線一定會停止上升，因為暗物質(zhì)總能量也是有限的；第四，來了正電子應(yīng)該會有方向，因為暗物質(zhì)在整個宇宙中從哪個方向來是同樣的；第五，什么時候開始下降。

到底找到暗物質(zhì)沒有？現(xiàn)在我們實驗探測到的5種結(jié)果都和暗物質(zhì)有關(guān)，唯一還沒有確定的是什么時候下降，轉(zhuǎn)折點(diǎn)已經(jīng)找到了，如果下降得很快，一定是暗物質(zhì)，因為暗物質(zhì)有一定的質(zhì)量，假如下降得很慢，可能是一個很奇怪的星，就是中子星，中子星轉(zhuǎn)得很快，可能有磁場，也可能產(chǎn)生大量射線。轉(zhuǎn)折點(diǎn)在這里就是從中子星的，如果在這里，很有可能就是暗物質(zhì)(圖7)。

圖7 暗物質(zhì)觀測

(2) 另一個目標(biāo)是尋找由反物質(zhì)所組成的宇宙。

如果宇宙起源于大爆炸，爆炸之前是真空，真空里不存在任何東西，所以大爆炸之后應(yīng)該有同樣的數(shù)量的物質(zhì)與反物質(zhì)，要不然就不對。未來20年內(nèi)，我們將會收集到3 000億個數(shù)據(jù)，能夠探測到可見宇宙邊緣的信號。什么意思？銀河系里面有1個億太陽系，宇宙中有幾億個銀河系，我們要找到幾億個銀河系，看看有沒有反物質(zhì)。

要找反物質(zhì)，第一就是在空間，一定要把地面上周期表的元素找出來，現(xiàn)在周期表上的元素都找出來了。宇宙是最廣闊的實驗室，宇宙線的能量高于任何加速器，宇宙中的反物質(zhì)和暗物質(zhì)是近代物理學(xué)的基礎(chǔ)。這是唯一在太空中進(jìn)行實驗的儀器(圖8)。我個人認(rèn)為，我們最重要的目標(biāo)是探測未知，探索自然界的存在，探索我們無法想象也不曾發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象。

向大家介紹一下近代物理研究的原定目標(biāo)和實際發(fā)現(xiàn)。我開始做實驗的時候是20世紀(jì)60年代，原來的目標(biāo)是為了了解原子核力的來源，結(jié)果實際的發(fā)現(xiàn)是2種中微子和J粒子；70年代，目標(biāo)是中微子物理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了第5和第6種夸克……什么意思呢？多數(shù)服從少數(shù)，只有少數(shù)人把多數(shù)人的觀念推翻以后，科學(xué)才能向前發(fā)展，因此，專家評審并不是絕對有用的，因為專家評審是依靠現(xiàn)有的知識。

圖8 丁肇中教授在實驗中

最后一個體會，自然科學(xué)的研究是具有競爭性的，只有第一，沒有第二，沒有人知道是誰第二個發(fā)現(xiàn)相對論。

(本刊綜合摘編自中歐國際工商學(xué)院網(wǎng)站等)

鏈接：問與答

朱曉明(中歐國際工商學(xué)院院長)：我們從所知道的報道，說量子傳輸是隱形傳輸，不需要時間，也就是說你擁有100萬人民幣，從上海傳輸?shù)奖本? 000公里，不需要時間就過去了，將來有沒有可能把一種物質(zhì)從一個地方傳輸?shù)搅硗庖粋€地方，也不需要時間？

丁肇中：傳輸所謂不需要時間是因為從光速來比，北京和上海是一個地方，因為光每秒鐘可以繞地球幾圈，假設(shè)你住在火星上，我要傳輸給你的話，需要很長很長的時間，所以所謂的不需要時間，是因為距離很小，對于光速來說很小。物質(zhì)不能決定光速，因為物質(zhì)根據(jù)相對論，要決定光速的時候，物質(zhì)的質(zhì)量就慢慢慢慢變大，空間理論最主要的結(jié)果就是質(zhì)量，當(dāng)速度決定光速的時候質(zhì)量就變得很大。

張維炯(中歐國際工商學(xué)院副院長)：我曾經(jīng)看科學(xué)家傳記有一個章節(jié)寫的是愛因斯坦，當(dāng)時他是瑞士專利局的一個雇員，他說他研究相對論的時候晚上把門關(guān)上，這個門大概有一公尺，可以隔絕外面的聲音。他在門里沉思人們根本沒想到的問題。您在做研究、思考問題的時候需不需要把一扇門做得很厚，躲在門后面思考？

丁肇中：作為一個物理學(xué)家，選題目是最重要的。通常我選了題目以后，準(zhǔn)備做這個實驗以后，我通常找一位或者兩位世界上跟一個人談一談，我要了解他們的觀點(diǎn)，而不是說我要接受他們的意見。1994年我在原子的世界里走來走去，這個實驗別人從來沒有做過，宇宙是怎么來的？這個工作有600個科學(xué)家，我們當(dāng)時所有的航天專家認(rèn)為這是不可能的。

提問：您如何看待中國文化以及西方文化的影響？

丁肇中：我覺得我沒有資格回答這個重要的問題，我只能說，我在中學(xué)念書的時候，對中國歷史、物理和數(shù)學(xué)特別有興趣，我所謂有興趣是花很少的時間考最高的分?jǐn)?shù)。我小時候?qū)χ袊鴼v史非常感興趣，常常考一百分，后來我就發(fā)現(xiàn)研究中國歷史對我來說是很困難的，因為很不容易發(fā)現(xiàn)真實情況，中國一改朝換代，第一件事就是改歷史，別的我就沒有資格說了。

提問：宇宙發(fā)現(xiàn)反粒子的數(shù)量要達(dá)到什么樣的程度才能引起我們對現(xiàn)有宇宙學(xué)理論的顛覆？

丁肇中：物質(zhì)和反物質(zhì)一碰撞，互相湮滅就產(chǎn)生光，光可以到地面，而地面沒有找到這種光，沒有就表示在我們這個銀河系當(dāng)中沒有反物質(zhì)，可宇宙里有100億個銀河系，我們這一個沒有找到，并不代表另外100億個銀河系都沒有，所以我們的目的是把其余的銀河系都找一遍，一直找到可見宇宙的邊緣。天文學(xué)理論對我個人來說意義不大，理論是隨著時間變的，當(dāng)實驗推翻理論以后，又有新的理論，我認(rèn)為最主要的事情就是把實驗做好，因為實驗做正確了以后，任何理論都能推翻。

提問：人們認(rèn)為時間和空間是分離的，后來愛因斯坦認(rèn)為時空是合在一起的，認(rèn)為是四維空間，有沒有五維空間？

丁肇中：有很多的人認(rèn)為暗物質(zhì)可能是第五空間，假使是這樣的話，剛才給大家講的正電子比例上升，假使有五位空間的話，會垂直下降，現(xiàn)在看來可能不是垂直下降，所以可能沒有第五維。

My Experince of Physical Experiments(Continued)

DINGZhao-zhong

(Massachusetts Institute of Technology, Boston, USA)

The author discussed the relationship between basic research and technology application first, and pointed out that technological development is rooted in the basic research. Then he introduced the contents and significance of four physical experiments conducted by author himself, and comprehending from each experiment

experiment; physical experiment; basic research; applied technology

2015-01-12

丁肇中(1936-)，男，祖籍山東省日照市，美國實驗物理學(xué)家、華裔美國人，現(xiàn)任美國麻省理工學(xué)院教授，中國科學(xué)院大學(xué)名譽(yù)教授，曾獲得1976年諾貝爾物理學(xué)獎。他曾發(fā)現(xiàn)一種新的次原子粒子，并命名為“J粒子”。1974年丁肇中與美國加州斯坦福大學(xué)教授伯頓·里克特幾乎同時各自發(fā)現(xiàn)新的基本粒子-J/ψ基本粒子，1976年兩位教授因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎及美國政府的勞倫斯獎。目前，丁肇中正領(lǐng)導(dǎo)由16個國家600名科學(xué)家組成，在國際空間站上唯一的大型科學(xué)實驗(AMS)，尋找宇宙的起源。

O 571

A

1006-7167(2015)11-0001-04

編者按：丁肇中教授是一位杰出的實驗物理學(xué)家,諾貝爾獎金獲得者。他對科學(xué)實驗有許多著名的論斷,在許多大學(xué)、科研部門作過關(guān)于一些著名物理實驗及體會的演講。本刊特選登丁肇中教授在中歐國際工商學(xué)院大師講堂的《我所經(jīng)歷的物理實驗》報告，其內(nèi)容豐富，意義深刻。現(xiàn)應(yīng)廣大讀者要求,特予以重發(fā)，以饗讀者。