单位文秘网 2021-08-20 09:24:34 点击: 次
明年底航天飞机将最后一次升空,它还肩负着丁肇中委托的一项重任:把搜寻反物质星系的阿尔法磁谱仪送上国际空间站。它被称作人类有史以来最昂贵的实验,也许是人类这几十年探索宇宙另一面的最后机会。
在航天经费紧缩的今天,不知有没有人想到1994年的好日子,那时国际空间站项目刚获批准,NASA的局长戈尔丁(Daniel S.Goldin)正在为它寻找一些“出位”的科学想法。有人告诉他,诺贝尔奖得主丁肇中有意在太空中放一块磁铁来探测来自其他星球的反物质。听到这个消息后,戈尔丁说:“好,这个人在哪儿?我要立刻见他。”
丁肇中和戈尔丁的协议结果,就是阿尔法磁谱仪(AMS)。1998年6月2日,AMS的原型机AMS-01搭乘“发现号”航天飞机发射升空。它有一个面包圈形的磁铁,收集了穿过磁铁粒子的数据,同时地面控制中心也演练并且熟悉了操作命令和数据界面,测量了实验的背景值并且验证了AMS的热模型。这次太空之旅为期只有10天,最大的目的是为下一次飞行打下基础。
事情并不顺利,2005年,运送AMS的航天飞机飞行计划被取消。自从“哥伦比亚号”2003年失事,航天飞机直到两年多后才复飞,此后几乎所有的飞行任务都是为了完成国际空间站的建设,而整个机群按计划要在2010年退役,来不及送AMS上天了。
但现在笼罩在AMS上的阴霾似乎都消失了,新的AMS-02将在日内瓦完成最终的组装,并且预计会在2009年底运抵位于美国佛罗里达的肯尼迪航天中心。据NASA的AMS12网站公布,其发射时间目前暂定为2010年7月29日。
丁肇中强势催生AMS
14年来,AMS耗资达15亿美元,被《纽约时报》称为是“有史以来最昂贵的科学实验之一”。AMS的背后有来自16个国家56个研究机构的500人团队。盛放重达7吨的AMS的“桌子”足可以停下一辆小型公共汽车。其086特斯拉的超强磁场是太阳黑子的5倍、地球磁场的17000倍。如果AMS不花一半的能量来抵消超出其自身范围的磁场,那么要不了多久国际空间站的姿态就会无法保持静止。
丁肇中的强势保证了实验的最终落实。1976年丁肇中因为“通过仔细地实验证明了当时已知的3种夸克还不够,存在第4种夸克”获得了诺贝尔物理学奖。他自己说,当实验和理论之间不相符的时候才是最有价值的,“物理学的进步是建立在你摧毁其他人的认识之上的”。
随着丁肇中的声名鹊起,他实验的规模也开始“水涨船高”。1983年,丁肇中领导着当时世界上最大的物理学合作项目——位于欧洲核子中心大型电子一正电子对撞机(LEP)上探索电子和夸克本质的L3实验。大约有500名物理学家参加了L3实验,其所雇佣的人数超过了大型电子一正电子对撞机上的任何一个其它实验。
丁肇中的领导风格并不是完全民主的,但这使得他可以快速、果断地实现目标。丁肇中曾经要求美国能源部升级大型电子一正电子对撞机实验,但美国能源部拒绝了他的要求。当时丁肇中站了起来说:“我拒绝你们的拒绝。”
但丁肇中建造更大型实验的想法还是遭到了反对。涉及13个国家9。个研究机构1000名科学家的超导超级对撞机(SSc)由于“内部问题”在1991年宣告“破产”。紧接着,欧洲核子中心也拒绝了丁肇中将L3实验放到大型强子对撞机上的提案。这迫使丁肇中和他的紧密合作者不得不开始考虑一些更小型、更简单的实验。在L3工作间隙的一次咖啡时间中,AMS的想法诞生了。最初的想法是一个参与人数不超过100人,可以放在一张桌子上的实验。
寻找另一个宇宙
AMS寻求的是粒子物理学中一个尚未被解决问题的答案:为什么我们的宇宙绝大部分是由物质而不是反物质组成的?在宇宙大爆炸诞生的过程中,似乎存在一种神秘的机制,使得物质受到垂青而反物质则被打入了冷宫。
我们的世界是物质的世界,物质和反物质相遇的时候就会湮灭变成光子,但如果在早期宇宙中有一些反物质躲过了这场“肃清”运动,那么也许时至今日宇宙中还留有这些大爆炸的遗孤。证据就是找到反氦原子核,大爆炸以来任何已知的过程都无法产生它。如果有一个反氦原子核从AMS中央穿过了过去,那么它在强磁场作用下的弯曲轨迹,就能立刻揭示出它的质量和电荷,让人们认出它。
反物质从外表看上去和物质没有什么区别,因此天文学家无法仅仅通过观测来区分某颗恒星乃至某个星系是否由反物质组成的。只有AMS能做到这一点。假设反氦核的特殊轨迹最终出现在了AMS的数据中,这无疑将会是革命性的发现。因为这是一个信号,这个信号预示着在宇宙中的某个地方还有反物质星系、反物质恒星、反物质行星乃至反物质生命的存在。1998年的AMS-01探测到了数百万个氦核,但是没有反氦核。
除了搜寻反物质星系,AMS还将检验暗物质的主流理论。在标准的宇宙学模型中,宇宙物质的绝大多数是由暗物质构成的,它们占了宇宙物质的89%,但它们的性质至今未知。组成恒星、行星以及你我的质子、电子和中子则占据了宇宙物质的其余部分,它们和暗物质之间仅仅通过引力发生相互作用。此外,AMS还将寻找奇异物质,它们是由奇异夸克组成的超大质量物质。更好的了解奇异物质,将帮助科学家研究微类星体和微型原初黑洞的蒸发,并且可以证明宇宙之初是否存在过小型黑洞。
“AMS使得我们第一次能以非常高的精度来测量超高能宇宙线,”丁肇中说。(999年使用AMS-01的观测数据,给出了宇宙中反氦核和氦核流量之比的上限为100万分之1,而AMS-02的灵敏度则能达到10亿分之1,比先前的高出了1000倍。如果AMS-02最终没有探测到反氦核,那么这就说明在10亿秒差距(1秒差距·3.26光年)的范围内不存在反物质星系,这基本上已经这到了可观测宇宙的边缘。但是强大的探测能力能否实现,资金还是最大的问题。
飞往空间站的机翼
丁肇中本人的巨大影响力,以及他长期以来领导着的庞大粒子物理合作团队使得AMS绝处逢生。2008年的美国总统大选中甚至也打起了AMS牌,额外的一次航天飞机飞行给了美国佛罗里达州选民新的希望,因为航天飞机停飞就意味着许多人要为此失业。两个总统候选人都为此做出了承诺,意大利外交部长甚至专门为此和当时的美国国务卿赖斯打了招呼。2008年5月,美国国会为AMS拨款批准了一次最后的额外飞行,任务编号为STS-134。
航天飞机将把AMS带到国际空间站,和原型机AMS-01不同,它必须依赖国际空间站的强大电力。丁肇中经常把AMS和高能粒子加速器相比较,AMS探测的粒子能量还要更高好几个数量级。地上的加速器会使用整个城市规模的耗电量来“制造”粒子,通过碰撞“碾碎”粒子来了解粒子本身;AMS则通过探测来自深空的高能粒子来了解宇宙。世界上最强大的加速器,大型强子对撞机(LHC)中的粒子碰撞时的能量可达7万亿电子伏特,与之相比,宇宙射线的能量则高达1万亿亿电子伏特或者更高。
对宇宙射线的探测需要强大的电力,这正是AMS钟情国际空间站而非普通卫星的原因之一。AMS和加速器一样都会使用强磁场来偏折粒子的运动轨迹,并且用传感器来跟踪粒子的轨迹。这些传感器会产生好几万亿字节的数据,超级计算机根据这些数据来计算每个粒子的质量、能量和电性。AMS产生的数据量过大,无法传回地球,只能在轨道上用自身由650个中央处理器组成的超级计算机处理。这台超级计算机的耗能为2.5千瓦,远远超过了普通的人造卫星太阳能板所能提供的电力,但却在国际空间站100千瓦电力供应的范围之内。一旦被安装到国际空间站上之后,AMS-02预期可以工作3—5年。
还有其他的仪器也在做着同样的事情,例如意大利在人造卫星上所进行的反物质探测和轻核天体物理载荷(PAME-LA)实验。它也搜寻了宇宙中的反氦核,但精度尚不足说明问题。PAMELA已经上天,AMS-02还“躺”在家里。随着时间的临近,AMS即将迎来它“最后的战役”,丁肇中和粒子物理学家们的倾力一搏也将见到分晓。
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