我所经历的现代物理及体会(四)

丁肇中

(麻省理工学院，马萨诸塞州 02179-4307，美国)

5 自然科学的研究，是具有竞争性的，只有第一，没有第二(续)

第二个目标：精确测量宇宙线。AMS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。初级宇宙线就是很原始的宇宙线，比方说质子，氦，碳，氧……产生以后，在宇宙中飞行几百万年，被AMS探测到。初级宇宙线从他们的起源一直传播到AMS。所以，初级宇宙线携带了关于他们起源和传播的信息。

在AMS之前，过去100年来全球测量质子流强的实验最好的结果仍具有很大的误差，相互之间不一致。这限制了对宇宙线的认识。有很多不一样的结果，就意味着任何理论都可以符合。AMS采集了3亿个结果，(在2 000亿eV前)符合理论预测的结果，但到2 000亿eV之后就不一样了，有新的现象存在。实验的结果和理论预测不一样，推翻了几十年来的传统理论(图27)。

图27 AMS质子流强实验新结果

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。氦测了9 000万个数据，碳840万个数据，氧700万个数据，量是很大的(图28)。

图28 AMS初级宇宙线的测量结果

同时有一个现象，在2 000亿V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。锂测了190万个数据，铍90万个数据，硼260万个数据。次级宇宙线(锂、铍和硼)随着刚度具有相同的行为，而且他们在2 000亿伏的刚度以后也都发生相同的变化。但是，次级宇宙线和初级宇宙线随刚度发生不同的变化(图29)，这是想象不到的结果。

图29 次级宇宙线和初级宇宙线随刚度发生的变化

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

“It is shown that the most important source of energy in ordinary stars is the reactions of carbon and nitrogen with protons. These reactions form a cycle in which the original nucleus is reproduced … “

过去科学家测量在太阳系内碳、氮、氧元素的比例为：氮/氧=0.17，碳/氧=0.54。AMS 测量的银河系中的元素比例有很大不同；氮/氧=0.09，碳/氧=0.90。

在宇宙中除了原子外还有上百种带电的基本粒子。只有电子、质子、正电子和反质子具有无限长的寿命,能够在宇宙中一直穿行，直到被AMS接收为止。根据测量，随着能量的增加，质子和反质子的能谱具有相同的行为(图30)。如果大家认为反质子是质子碰撞的产物，就很难想象这种结果。

最出乎意料的结果：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。电子的能谱是完全不一样的(图31)。2018年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这个结果，到现在为止，还没有人能解释。

美国物理学会过去10年(2007—2017)共发表了20 000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：

图30 AMS测量随着能量的增加，质子和反质子的能谱行为

图31 AMS测量的正电子、反质子和质子的能谱

· AMS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找到了若干哥反氦-4的候选事例。图32是其中一个事例，测量到这个反氦-4的动量=32.6 ± 2.5 GeV/c，电荷=-2.05±0.05。(现观测的)所有氦的电荷都是正的，只有它是负的。它的质量=3.81±0.29 GeV/c2，而4He质量=3.73 GeV/c2，质量是一样的，唯一不同的就是电荷。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。

但AMS最重要的结果是，探索到自然界中存在,然而我们却无法想像的,前所未有的现象。这才叫“向前走”。

我刚拿到物理博士学位的时候是上世纪60年代，那时候最新的仪器是美国300亿eV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4 000亿eV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；

上世纪70年代，美国60亿正负电子对撞机，原来的目标是量子电动力学，实际的发现是部分子、第4种夸克、第3种电子；80年代，德国4 00亿eV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)；哈伯望远镜，原来的目标是银河探索，最后找到了暗能量(表1)。

表1 近代物理研究的原定目标与实际发现

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。

刚才已经说过了，现在再来总结一下山东大学和AMS：

(1) 山东大学现在主要工作合作者：美国宇航局、美国麻省理工学院。麻省理工学院现在有大约50位科学家(参与实验)。

(2) 程林教授主要负责热控制系统的设计，主管AMS整个热控制系统。空间站白天(46.5 min)和晚上(46.5 min)的温度变化超过30度。所以，热控制系统是最主要、最关键的仪器，要长期保持AMS仪器的温度稳定在度。

(3)AMS主要团队有：

1) 德国亚琛大学、卡尔斯鲁厄大学

2) 中国山东大学、航天部、中山大学、东南大学、电工所

3) 意大利佩鲁贾大学、罗马大学、特伦托大学、博洛尼亚大学、比萨大学等

4) 美国宇航局休斯顿航天中心

5) 美国麻省理工学院

6) 台湾中央研究院、中央大学

7) 中国科学院高能所

8) 瑞士日内瓦大学

9) 西欧核子中心

10) 西班牙国家核子物理研究中心CIEMAT

这个实验对工程上的意义在于建造载人登月、登火星的热控制系统和通信系统。希望山东大学和世界上知名的学校和航天机构继续合作，对人类认识宇宙的奥秘继续做出重要的贡献。

这个实验是由16个国家花了20年的时间建成的。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。

2018.7.6 于山东大学

(本刊全文综合编校，资料来源：山东大学物说新语)

致谢：本文在编校过程中得到了山东大学热科学与工程研究中心孙锲主任的热情帮助和资产与实验室管理部胡蔓、物理学院曹晓习两位老师的积极协助，在此谨致诚挚的感谢！