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紫鲸大讲坛|暗物质:长达30年的漫长寻找
来源:扬子晚报网 2018-07-24 07:52:47

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      主讲嘉宾  丁肇中   诺贝尔物理学奖获得者、美籍华人物理学家。

  1936年1月27日出生于美国密歇根州安阿伯镇,1969年至今任美国麻省理工学院物理学教授。研究领域为实验粒子物理、量子电动力学及光与物质相互作用,因发现“J粒子”获得1976年的诺贝尔物理学奖。

  1994年起领导阿尔法磁谱仪(AMS)实验,在空间寻找反物质和暗物质。1994年当选为中国科学院外籍院士。是美国国家科学院院士(1977年),美国艺术和科学院院士(1975年),俄罗斯科学院外籍院士和巴基斯坦科学院外籍院士。

  精彩观点

  ●人只要有好奇心,是永远不会停止向前的。

  ●科学是多数服从少数,只有少数人把多数人的观念推翻以后,科学才能向前发展。

  ●自然科学的研究,是具有竞争性的,只有第一,没有第二。没有人知道谁是第二个发现相对论的人。

  编者按:人生能有几个30年?除去懵懂少年和耄耋老年两段时间,留给人的黄金时间又有多少年?

  诺贝尔物理学奖获得者丁肇中1994年开始进行国际空间站上的阿尔法磁谱仪实验时,已经近60岁了。如今20多年过去了,丁肇中教授已经80多岁了,这项实验还在进行中,预计整个实验至少要进行30年,还不能保证一定会成功找到暗物质。

  在太过浮躁、短视、功利心太强的当下,有多少人能耐得住寂寞、不计得失、多年如一日专注做好一件事?希望丁肇中的故事能让我们慢下来、沉静下来,思考、抉择、行动。

  第一个目标:寻找宇宙中暗物质的来源

  现在正在做的国际空间站上的阿尔法磁谱仪实验(AMS),做了20多年了,从1994年开始,将到2024年以后。

  宇宙中大约有90%的物质是看不见的,所以称作暗物质。怎样寻找暗物质?第一个关键字:它是看不见的。暗物质用χ来表示,碰撞的时候变成能量,能量变成质量,变成正电子和反质子,可以被AMS探测到。与此同时,普通的宇宙线碰撞以后也可以产生正电子和反质子,被AMS接受。所以如果暗物质湮灭产生多余的正电子和反质子,可以被AMS精确测量。

  在AMS实验以前,全球也有很多做电子、正电子精密测量的实验,但数据的误差非常大,根本分辨不出来是怎么回事。这是因为测量正电子和电子非常困难。AMS测量正电子和电子的最新结果是正电子和电子的流强不同,它们随能量的变化也不同。这就非常奇怪,可以想一想为什么:因为宇宙是中性的。

  数据很多,2810万个电子,190万个正电子。(正电子)它的特性,在能量很低的时候,数据与宇宙线碰撞模型的计算是符合的;在能量为80亿电子伏特以上,正电子能谱是平的;300亿电子伏特以后,正电子能谱再次上升;到了3000亿电子伏特时,达到最高值;之后正电子能谱快速地下降。很难解释:所有物理现象都应该是一个很均匀的分布,是很自然的,但正电子是不一样的。正电子能谱与质量为1万2千亿电子伏特的暗物质模型是完全符合的。

  这个实验到现在为止误差还是很大,大概还要做十年的时间才能把高能部分搞出来,因为高能部分数据非常非常少。所以虽然现在的结果与暗物质是符合的,但并不能证明暗物质存在。

  第二个目标:精确测量宇宙线

  我们有7个探测器,对宇宙线的各种原子核进行精确的测量。宇宙线有2种:初级宇宙线和次级宇宙线。初级宇宙线从它们的起源一直传播到AMS。所以,初级宇宙线携带了关于它们起源和传播的信息。

  在我们之前,测量初级宇宙线(氦、碳、氧)的结果没有一个清楚的规律,但我们的结果非常奇怪,AMS初级宇宙线的测量结果是:氦、碳、氧随着刚度的增加发生完全相同的变化。同时有一个现象,在2000亿伏以后,氦、碳、氧以完全相同的方式上升,这是出乎意料的结果。没有任何一个结果和以前的结果是一样的,没有任何一个结果和理论推测是一样的。用中国话说,叫“天下大乱”了。

  除了初级宇宙线以外,还有次级宇宙线 (锂、铍、硼 ……)。次级宇宙线是由初级宇宙线和星际物质碰撞产生的,所以次级宇宙线提供了宇宙线传播过程和星际物质的特性。次级宇宙线和初级宇宙线随刚度发生不同的变化,这是想象不到的结果。

  “碳-氮-氧循环”是恒星能量的来源,是1939年Bethe提出来的,因此在1967年拿到诺贝尔奖。

  在宇宙中除了原子外还有上百种带电的基本粒子。最出乎意料的是:正电子、反质子和质子的能谱是一样的,但是反质子和质子的质量比正电子的质量大2000倍。这和地面上的经验完全不同。4月15日,我在西班牙组织了一个国际会议,邀请了世界上最有名的科学家来讨论,到现在为止还没有人能解释。

  第三个目标:寻找由反物质组成的宇宙

  美国物理学会过去10年共发表了20000篇重要物理结果(PRL)其中52篇最重要的物理结果入选“编辑建议”十周年回顾, 包括:AMS(阿尔法磁谱仪)暗物质论文,发现重力波(2017年获诺贝尔奖),发现117号元素。能看出,AMS已经开始为人类的知识做出重要贡献。

  AMS的另一个目标是寻找由反物质组成的宇宙。如果宇宙起始于大爆炸,大爆炸之前是真空,那么大爆炸之后应该有相同数量的物质与反物质。过去50年,没有实验在太空中精确地寻找到反物质。所以,理论物理学家认为,对称性是破坏的,对称性理论是错误的,反物质在宇宙中是不存在的。

  正因如此,过去50年大家都在找对称性破坏,却没有找到。但AMS找到了一个反氦-4的候选事例。(现观测的)所有氦的电荷都是正的,只有它是负的。这表示宇宙中非常非常有可能有反粒子存在。找这种氦是很困难的,每1亿个氦数据中,只有1个反氦。为了确保数据的准确性,现在正在对探测器进行精确的验证。

  我们测量的正电子的结果和暗物质的理论是符合的,但是要完全证明找到暗物质,还需要几年的时间。宇宙线的各种原子核的能量分布,都与现有的宇宙线理论不符合。AMS推翻了以前所有的理论,带来了新的知识。

  科学是多数服从少数

  我刚拿到物理博士学位的时候是60年代,那时候最新的仪器是美国300亿电子伏的质子加速器。根据专家的意见,(原定目标)是了解原子核力的来源。实际发现是2种中微子、时间对称破缺、J粒子。

  70年代,美国4000亿电子伏的质子加速器,原来是想找中微子,实际上发现了第5种夸克、第6种夸克。70年代,美国60亿电子伏正负电子对撞机原来的目标是量子电动力学,实际的发现是部分子、第四种夸克、第三种电子。

  80年代,德国400亿电子伏正负电子对撞机原来的目标是第6种夸克,实际的发现是胶子(有中国科学家参与)。

  2000年,日本地下实验室原来的目标是质子寿命,实际的发现是中微子有质量;哈勃望远镜原来的目标是银河探索,最后找到了暗能量。

  科学是多数服从少数,只有少数人把多数人的观念推翻以后,科学才能向前发展。因此,专家评审并不是绝对有用的。因为,专家评审是依靠现有的知识,而科学的发展是推翻现有的知识。所以受到别人的反对是很好的事情。

  AMS是太空中唯一的磁谱仪,今后几十年内,不可能再有第二个磁谱仪。AMS所有的结果都是独一无二的,改变了人类对宇宙的认识。

  我最后一个体会:自然科学的研究,是具有竞争性的,只有第一,没有第二。没有人知道谁是第二个发现相对论的人。

  谢谢大家。

  (本文是丁肇中先生2018年7月6日在山东大学的演讲,根据录音整理,有删节。)

       来源:扬子晚报

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