在質(zhì)疑聲中，81歲的丁肇中或?qū)⒆C實(shí)“反物質(zhì)世界”的存在

Joker 9年前 (2017-04-20)

相信許多年后，即使AMS沒有找到足夠的反氦就墜落了，歷史也會記住科學(xué)家們的嘗試和努力。

“宇宙起源于大約 137 億年前一次大爆炸”，這個理論已經(jīng)獲得了大量的證據(jù)支持。該理論認(rèn)為, 大爆炸之前沒有物質(zhì), 因此大爆炸以后物質(zhì)與反物質(zhì)的數(shù)量應(yīng)該一樣多。

可人類面臨的現(xiàn)實(shí)情況是，物質(zhì)世界產(chǎn)生了，反物質(zhì)世界卻遲遲沒有現(xiàn)身。而這次，丁肇中似乎探尋到了反物質(zhì)世界的蛛絲馬跡。

4 月 19 日，《Science》發(fā)表文章指出，對丁肇中而言，尋找反物質(zhì)并非什么新聞，然而，最近在歐洲核子中心，而同樣在2 月 16 日，在其工作了近 50 年麻省理工學(xué)院的一次對話中，丁肇中表示，阿爾發(fā)磁譜儀（AMS）可能捕獲了一個質(zhì)量更大而且更加奇特的反物質(zhì)——反氦3。盡管反氦3可以在地面實(shí)驗(yàn)室中制備出來（保存時間非常短暫），但這種由兩個反質(zhì)子和一個反中子構(gòu)成的反物質(zhì)還是首次在太空中被發(fā)現(xiàn)。

在質(zhì)疑聲中，81歲的丁肇中或?qū)l(fā)現(xiàn)或證實(shí)“反物質(zhì)世界”的存在

20 多年前，丁肇中說服基金會投資 15 億美元建造了阿爾法磁譜儀（AMS）。2011 年，NASA 將這一 8.5 噸的磁鐵運(yùn)送到太空并與國際空間站（ISS）對接。這次，它再次受到世界矚目。如同丁肇中報告結(jié)尾所說，AMS 終于實(shí)現(xiàn)了其設(shè)計初衷。

AMS 實(shí)驗(yàn)是美國、中國、俄羅斯、芬蘭、法國、德國、意大利、瑞士等國首次在空間領(lǐng)域的合作。作為為數(shù)不多的獲諾獎后依然活躍在科學(xué)前沿的科學(xué)家之一，丁肇中在這個探尋反物質(zhì)的科學(xué)征程中投入了極大精力。啟動后的很長一段時間里，AMS 實(shí)驗(yàn)充滿曲折和變數(shù)，之所以能走到今天，離不開科學(xué)家們的堅(jiān)持和實(shí)驗(yàn)本身的說服力。

到現(xiàn)在為止，約有 900 億個粒子飛進(jìn)了 AMS 磁鐵的“大嘴”。AMS 測量了這些粒子的質(zhì)量和電荷。它們幾乎全是質(zhì)子和氦核子，還伴有少量的電子、碳核子、氧原子和鐵原子。其中，還有少量比較珍貴的發(fā)現(xiàn)：反質(zhì)子和正電子，分別是質(zhì)子和電子的反物質(zhì)。

對于丁肇中來說，這些反物質(zhì)是星系中存在暗物質(zhì)的證據(jù)，暗物質(zhì)在星系中產(chǎn)生額外的重力。但其他反對者卻不這么認(rèn)為，他們覺得這些反物質(zhì)只不過是星系中某些司空見慣的事件的副產(chǎn)物而已。

在質(zhì)疑聲中，81歲的丁肇中或?qū)l(fā)現(xiàn)或證實(shí)“反物質(zhì)世界”的存在

美國能源部 AMS 的項(xiàng)目管理人、物理學(xué)家Michael Salamon表示：“這個發(fā)現(xiàn)（反氦3）非常驚人的。”Salaman在休假時得知了這一消息。出乎人們意料的是，丁肇中表示他并不想立即發(fā)表文章或與理論物理學(xué)家討論該現(xiàn)象。

“他想確認(rèn)這個發(fā)現(xiàn)的可信度”，Salaman告訴《Science》。因?yàn)?，在自然界中檢測到反氦的存在足以震動整個宇宙學(xué)。一旦該結(jié)果被確認(rèn)，那將證明了大爆炸之后反物質(zhì)源的存在，而且意味著標(biāo)準(zhǔn)模型之外的粒子存在相互作用。這對于在今年 1 月步入 81 歲的丁肇中來說，無疑是對其終生事業(yè)的有力肯定和對反對者的最好回?fù)簟?/strong>

宇宙線中的帶電粒子無法在地球上觀測，而要分辨這些粒子的電荷符號, 就必須用磁鐵來探測。在 1994 年，丁肇中提出用磁譜儀 AMS 在空間中進(jìn)行粒子捕獲。也是從那時起，他受到了嚴(yán)厲的質(zhì)疑。

有些人認(rèn)為，這項(xiàng)由美國能源部和其他國家的機(jī)構(gòu)所資助的項(xiàng)目，是政治運(yùn)作的產(chǎn)物，并沒有經(jīng)過科學(xué)的審查，而且預(yù)言 AMS 的成績將不會產(chǎn)生重要的科學(xué)價值。

反對者之一、密歇根大學(xué)天體物理學(xué)家Greg Tarlé表示，丁肇中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果充其量只能是“給媒體看的物理”。

而丁肇中利用 AMS 取得的重要成果——圍繞在星系中高能正電子的數(shù)目要遠(yuǎn)多于預(yù)期——也并沒有平息反對者的質(zhì)疑。

反對者表示，這種正電子遠(yuǎn)高于預(yù)期的現(xiàn)象是由歐洲衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)的，AMS只是進(jìn)行了確認(rèn)，而且這一發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生數(shù)百篇基于理論假設(shè)暗物質(zhì)的論文和模型。這些粒子兩兩湮滅可以生成窄能帶的電子——正電子數(shù)量對半的混合物，其中電子將會淹沒到宇宙中無數(shù)的電子中，稀有的正電子則會凸顯出來。

丁肇中則認(rèn)為，存在 1TeV 質(zhì)能的暗物質(zhì)是對該現(xiàn)象的最佳解釋，盡管這個質(zhì)能僅相當(dāng)于一只正在飛行的蚊子。其他的研究者則更傾向于用更為熟悉的天體物理源來解釋這個發(fā)現(xiàn)。

近年來大量涌出的暗物質(zhì)模型，包含丁肇中所提出的模型，“可能更多的是與團(tuán)體運(yùn)作以及他們寫文章的數(shù)量有關(guān)，而不是與科學(xué)相關(guān)”，來自俄亥俄州立大學(xué)的天體物理學(xué)家Tim Linden表示。他和部分研究者認(rèn)為，銀河系就像一個被脈沖星和超新星攪得一團(tuán)亂的實(shí)驗(yàn)臺，脈沖星或是超新星將質(zhì)子加速到非常高的能量后再將其送出去撞擊低溫氣體，都會產(chǎn)生AMS探測到的反物質(zhì)。

但丁肇中所說的過去五年中所探測到的“四、五個”可能的反氦，將是與之前都不同的情況。麻省理工學(xué)院天體物理粒子學(xué)家Kerstin Perez表示，目前可以確信的是，一般意義上的天體物理過程或是暗物質(zhì)粒子無法產(chǎn)生出這么多的反氦。作為采用氣球收集反氦項(xiàng)目的共同領(lǐng)導(dǎo)者，她表示，如果丁肇中的說法是正確的，“這將是本質(zhì)上的新現(xiàn)象”。

這項(xiàng)結(jié)果也將證實(shí)丁肇中最初的設(shè)想。當(dāng)年丁肇中向NASA和能源部（DOE）游說 AMS 的時候，他說可能會捕獲到從反物質(zhì)源逃出的反物質(zhì)，解開關(guān)于宇宙大爆炸中隱藏已久的謎題：宇宙大爆炸產(chǎn)生同等數(shù)量的物質(zhì)和反物質(zhì)，之后它們互相湮滅，產(chǎn)生伽馬射線，但是，為什么是物質(zhì)而不是反物質(zhì)來統(tǒng)治今天我們所看見的世界？

關(guān)于這一謎題的解釋，一種說法是因?yàn)槲镔|(zhì)和反物質(zhì)存在一些本質(zhì)的不同，另一種說法則認(rèn)為這是隨機(jī)決定的，如同拋硬幣，而物質(zhì)和反物質(zhì)分別是硬幣的兩面。

丁肇中企圖尋找反物質(zhì)源的想法惹怒了他的反對者，他們認(rèn)為這是荒謬的，因?yàn)槿绻次镔|(zhì)源真的存在，那么宇宙中將存在比現(xiàn)在更多的伽馬射線。而且，大型反物質(zhì)粒子無法完好無損的到達(dá)AMS，更何況，即使反物質(zhì)到達(dá)了，AMS能否區(qū)分反物質(zhì)和檢測噪聲還是個問題。

而在 AMS 內(nèi)部也存在對丁肇中的質(zhì)疑聲，目前還不能排除該發(fā)現(xiàn)源于探測器失誤的可能。因?yàn)椋?dāng)一個帶電粒子穿過甜甜圈型的磁鐵時，受到磁場作用其運(yùn)動軌跡會發(fā)生變化，這種變化可反映出帶電粒子的電荷和動量。九個冷卻的硅探測器用來檢測帶電粒子的軌跡，一年中差不多有十億次的機(jī)會可以檢測到氦核——這種具有兩個正電荷的粒子。但是，每年也會有一兩次集會檢測到一個粒子具有兩個負(fù)電荷，即丁肇中所說的反氦。這種情況也可能是氦核碰到其它原子反彈而引起的誤檢測。

目前AMS團(tuán)隊(duì)正采用計算機(jī)模擬所有可能的路徑。丁肇中說：“我們依然沒有看到能夠產(chǎn)生反氦3的其它情況，許多合作者認(rèn)為我們應(yīng)該發(fā)表這一成果。”

這似乎是丁肇中的一貫作風(fēng)。丁肇中的支持者，夏威夷大學(xué)的Philip von Doetinchem說：“這是他的行事風(fēng)格，說話之前必須對結(jié)果有十足的把握。”

但是丁肇中的反對者卻不這么看，Tarlé認(rèn)為丁肇中已經(jīng)清楚這是由于探測器的儀器故障。對于Tarlé來說，丁肇中的行為無疑是“故作扭捏”以獲得更多對該項(xiàng)目的支持。

不過，丁肇中也確實(shí)需要這些支持。雖然2019年才需要對AMS進(jìn)行評審，但美國能源部與其他保守的天體物理學(xué)家一樣，已失去了耐心。

“弄清某一特定宇宙射線的光譜特性是好的，但說實(shí)話，這并不怎么重要”，美國能源部AMS的項(xiàng)目管理人Salamon說道。更嚴(yán)峻的是，AMS用于冷卻硅探測器的4臺冗余泵僅有一臺正常運(yùn)行，而且是正在滿負(fù)荷運(yùn)行。

如果 AMS 可以堅(jiān)持到2024年，那時候美國和其他國家將停止對國際空間站的支持，AMS的檢測數(shù)量相比現(xiàn)在要翻一番。那樣的話，不僅可以使得反物質(zhì)與平常粒子的檢測數(shù)目對比更加明顯，而且還可能為丁肇中提供更多捕獲反氦的機(jī)會。

不過，丁肇中并沒聲稱擁有10個或更多的反氦將會從統(tǒng)計意義上提供更強(qiáng)有力的證據(jù)，他認(rèn)為，每收集一個反氦都有其價值。

丁肇中表示，他正在計劃更換失效的冷卻泵，這涉及新系統(tǒng)的安裝，需要宇航員進(jìn)行太空行走才能完成。NASA的發(fā)言人也證實(shí)，正在制定計劃拯救AMS。NASA已經(jīng)投入1600萬美金用以支持這項(xiàng)持續(xù)到2019年的太空行走計劃。美國能源部和丁肇中的國際合作伙伴也為此購買了需要置換的部件。“錢不是問題”，丁肇中說。

相信許多年后，即使AMS沒有找到足夠的反氦就墜落了，歷史也會記住科學(xué)家們的嘗試和努力。

編者按：本文轉(zhuǎn)載自DeepTech深科技

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