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諾獎獲得者丁肇中：中國科學家有成績就升官 是誤入歧途

點擊：  作者：丁肇中    來源：觀察者網  發布時間:2018-07-09 13:12:22

  

據中新網7日報道，暗物質來源將在2024年取得決定性結果。諾貝爾物理獎獲得者丁肇中7月7日在訪問山東大學時透露了AMS（阿爾法磁譜儀）項目最新研究預期。

 

6日，丁肇中在山東大學的演講中談到了自己經歷的現代物理的重要實驗以及自己做自然科學研究的體會。演講中他提到，中國的科學家一有成績以后，就升官了；升官呢，用他的話說，就是“誤入歧途”了。

 

 

 

7月7日，丁肇中訪問山東大學新聞發布會在山東大學中心校區舉行。李欣 攝

 

AMS項目由丁肇中主持，是上世紀末和本世紀初世界上規模最大的科學計劃之一。作為第一個安置于太空，最強大、最靈敏的精密粒子探測裝置，AMS是目前唯一被永久安放在國際空間站的粒子物理試驗設備，主要用于探測宇宙中的奇異物質，包括暗物質和反物質。

 

 

 

圖為諾貝爾物理獎獲得者丁肇中在當天舉行的新聞發布會上介紹AMS項目最新進展情況 李欣 攝

 

丁肇中在當天舉行的新聞發布會上介紹說，AMS是人類第一次使用精密大型磁譜儀測量宇宙線的分布情況。目前AMS已經收集了約1200億個宇宙線數據，主要研究結果被整理成數十篇學術文章刊發，推翻了很多物理學已知理論，改變了人類對宇宙線的認識。

 

因為暗物質碰撞產生的電子和質子被大量的宇宙線電子和質子覆蓋，所以在地球表面很難觀測。AMS通過在太空測量暗物質湮滅產生的多余的正電子、反質子來尋找暗物質。丁肇中認為，預計到2024年，人類將對反物質最終結果和暗物質來源得出決定性結果。

 

 

 

圖為諾貝爾物理獎獲得者丁肇中在當天舉行的新聞發布會上介紹AMS項目最新進展情況 李欣 攝

 

針對外界一直希望了解AMS研究成果對人類社會發展產生的影響。丁肇中解釋說，上世紀30年代最尖端的原子物理、量子力學應用在今天的通信網絡，上世紀40年代的原子核物理為今天提供能源。這些都證明，實驗物理的結果需要20年到30年才能轉換為人類可利用的成果，“到能運用時就將改變人類整個生活”。AMS最重要的成果就是探索到自然界中存在，人們無法想象，前所未有的現象。

 

丁肇中在發布會上還特別感謝山東大學程林教授所率領的熱科學系統團隊為AMS項目做出的決定性貢獻，成功解決了AMS太空工作的溫度平衡問題。

 

出席當天發布會的山東大學校長樊麗明透露，山東大學將選派物理系學者和博士研究生參與AMS項目研究，與項目組各國專家學者共同探索暗物質。目前學校粒子物理與原子核物理研究中心已推薦了人選。

 

 

 

圖為山東大學校長樊麗明出席當天發布會，并透露山東大學將選派物理系學者和博士研究生參與AMS項目研究 李欣 攝

 

對于參與AMS項目人員選拔標準，丁肇中坦言，AMS是一個全新的項目，以往的經驗不重要，重要的是腦筋聰明，具有獨立思考、研究能力。從事科學研究的人要葆有好奇心、想象力和不怕他人批評的自信心。

 

翻頁查看丁肇中教授演講全文

 

丁肇中：我所經歷的現代物理及我的體會

 

今天我想向大家介紹的是我所經歷的現代物理和我的體會。

 

實驗是自然科學的基礎，理論如果沒有實驗的證明，就沒有意義。當實驗推翻了理論以后，才可能得到新的理論。而理論是不可能推翻實驗的。

 

過去四百年，我們對物質結構的基本了解，大都來自于實驗物理。公元1612年，世界上所建造的最早的加速器，就是比薩斜塔。伽利略在上面讓不同重量的東西同時落地。那個加速器能量非常低[0.0001eV]，可是現在還存在，為人類做出了最重要的貢獻。現在世界上最大的加速器，是周長27公里的歐洲核子中心的加速器，能量非常高[1.4×10∧13eV]。這個加速器的一個比較重要的“發明”，就是大家現在所用的互聯網。經過四百多年的努力，現在對物質結構的基本了解是：原子的外層是電子，里面是原子核。原子核里面是粒子，粒子里面是夸克，把夸克“綁”在一起的是膠子。這是我們描繪的宇宙物質結構的最基本圖像。

 

我1956年進入密歇根大學，1962年拿到博士學位。拿到博士學位以后，我很快就決定自己做實驗。第一個實驗就是證明電子是沒有體積的，它的半徑小于10∧-14厘米。我1965年的實驗測量了電子半徑：在1948年，根據量子電動力學(QED)，由Richard Feynman，Julian Schwinger和朝永振一郎提出了一個理論：電子是沒有體積的。這個理論被當時所有的實驗所證實，因此他們獲得了諾貝爾獎。但是到了1964年，哈佛大學和康奈爾大學很多很有名的教授，或多年專門從事這種實驗的專家們，用了多年的時間做了兩個不同的實驗，得到了相反的結論，說量子電動力學是錯誤的，電子是有體積的，它的半徑不是小于而是等于10∧-13~14厘米。因為他們做了兩個不同的實驗，得到同樣的結論，所以受到了物理界的認可和重視。

 

 

 

哈佛—康奈爾實驗與費曼、施溫格、朝永振一郎理論的對比

 

因為這是關于物理基本觀念的實驗，所以我決定用不同的方法來測量。那個時候我剛剛拿到博士學位，沒有任何經驗，所以沒有人相信我能夠做出這樣的實驗，更沒有人支持。在1965年，我決定放棄在美國大學的前途，到德國新建的加速器（DESY）用不同的方法重復了這個實驗。用的加速器周長是320米，當電極轉過磁鐵的時候，就會發射75億電子伏的光，光打在電子上（使其加速）。這兩個人是我當年的學生，一個學生現在是普林斯頓大學的副校長，另一個并不是個特別好的學生，現在是一個有成就的工業家。

 

 

 

實驗示意圖

 

八個月以后，我的實驗證明，量子電動力學是正確的，電子是沒有體積的。它的半徑它的半徑小于10∧-14厘米，小于不是等于。看看這個結果和理論的比較，這樣的結果和理論完全符合，這表示電子是沒有體積。

 

量子電動力學是正確的

 

所以我做實驗的第一個結論是：不要盲從專家的結論。我之前什么實驗也沒做過，這是我的第一個實驗。另外兩個隊伍都是有名的科學家，結果都是錯的。

 

第二個實驗就是發現新粒子的實驗，是于1970年到1974年在美國的長島（布魯克海文）國家實驗室完成的。1970年，物理學家都認為，粒子是由三種夸克所組成的。質子：紫色的u，紅色的u，和藍色的d；K+介子：紫色的u，粉色的s bar。我的問題是，為什么只有三種夸克？為了尋找新的夸克，我決定建造一個高靈敏度的探測器。

 

 

 

美國布魯克海文國家實驗室

 

七十年代初，我設計了這個實驗。實驗要求的精確度是極高的，相當于在北京或者濟南下雨的時候,每秒鐘有100億個雨滴,其中有1個雨滴是不同的顏色，是紅色或者紫色的,我們要從這100億個雨滴中,在一秒內把它找出來。因而這個的精確度就是一百億分之一。

 

這個實驗不受世界上所有物理學家的歡迎。理論物理學家都相信只有三種夸克。原因很簡單，因為三種夸克已經可以解釋所有當時已知的物理現象；而實驗物理學家認為，沒有人能做出這樣困難的實驗。所以這個實驗幾乎被世界上所有的實驗室所拒絕。1970年，美國布魯克海文國家實驗室接受了我的實驗。

 

為了能從100億個已知粒子中找到一個新粒子,這個實驗必須每秒鐘輸入100億個高能量的質子到探測器上。這么多的質子輸入探測器所產生的放射線會徹底破壞探測器,對工作人員也是非常危險的。因此,必須發展全新的、非常精確的，在非常強的放射線下,能正常工作的全部儀器，也必須設計安全的屏蔽系統。按照屏蔽設施圖：為了放射線屏蔽，先放了10000噸的水泥，然后放5噸的鈾，100噸的鉛，還有5噸的肥皂。為什么用肥皂？因為肥皂里面含水最多，水可以阻止慢性的中子。整個加速器把所有的粒子同時發射，也就是說每秒鐘發射一百億個粒子，能量是300億電子伏。

 

新發展的粒子探測器，以前是沒人做過的。這個探測器多年展于華盛頓的國家科技館。以前也沒人想到儀器能在這么強的放射性下工作。到了1974年，就是兩年以后，實驗發現了新的粒子，它有一個奇異的現象，就是壽命比一致的粒子長一萬倍。在這種新粒子發現以后，很快同樣壽命的其他新粒子也被發現了。它的重要性很容易了解。在山東，人都活到一百歲左右，但忽然有一個村子，人不是一百歲，是一百萬歲，這些人就和普通人不一樣。這就表示宇宙中有新的物質存在，它一定是新的夸克粒子，我們把它命名為J粒子。

 

 

 

美國華盛頓國家科技館展出的J粒子探測器

 

沒有人會想到有這種現象，所以當時物理界的人說，這是物理界的“十一月革命”，那個時候我還不知道“十月革命”是什么。J粒子的發現改變了人們對于基本物質的認識。

 

我做實驗的第二點體會是：做基礎研究，要對自己有信心，做你認為正確的事情，不要因為大多數人的反對而改變。我做實驗已經多于五十年了，每一個實驗都受到大量的人反對，可是我“容忍”別人錯誤的判斷。

 

第三個實驗是1979年發現膠子。剛才已經和大家介紹過了，原子外面是電子，元素按照電子排布就變成周期表。原子里面有原子核，原子核里面有粒子，粒子里面有夸克，把夸克“綁”在一起的是膠子。發現膠子的意義是很大的。宇宙中有三種力：一種是引力。引力波從1942年開始探測，現在才發現，去年拿到了諾貝爾獎；電弱力是由光、Z0、W±子傳輸的；強力，是在夸克中間的力，是由膠子傳輸的。

 

在七十年代，世界上最大的加速器，是在德國漢堡名為PETRA的300億電子伏特對撞機，這是我的實驗。實驗目的是繼續找電子的半徑。

 

 

 

我一直很奇怪，為什么我們天天用電，卻永遠也找不到電子的半徑。那個時候，中國有件事“文化大革命”，可那個時候我天天在實驗室中，并不知道這個是什么，七五年回中國以后才知道有個叫“文革”。1977年8月17號回到中國，鄧小平主席建議每年派十個科學家參加我的工作。從那個時候起，中國科學家參加我們團隊，做出了世界公認的貢獻。七七年決定以后，七八年就開始有科學家來，到現在為止，有超過了一千多位科學家來到了我的實驗室。有部分的科學家回到中國，比方說中國科學院的唐孝威、陳和生、鄭志鵬、王貽芳、程林教授等。有一部分留在國外，留在麻省理工學院、加州理工學院、密西根大學，還有很多其他大學。在中國的科學家確實跟我工作都很好，所不幸的是，一有成績以后，就升官了。升官呢，用我的話說，就是“誤入歧途”了。這是七八年第一批到德國實驗室的科學家，中間這一位是我的妻子。

 

 

 

1977年8月鄧小平接見丁肇中

 

 

 

丁肇中及妻子與科學家見面

 

怎么樣使膠子發現：當有一個能量很高的正電子和負電子碰撞的時候，能量就變成質量，質量可以產生成夸克?？淇顺鰜硪院?，就變成一個噴柱；然后有反夸克，也放出一個噴柱。假使有膠子存在，就會有另外一個能量。膠子能量很低的時候有兩個噴柱，隨著膠子的能量增高，會有三個噴柱。發現相應的現象就意味著除了夸克以外，還有膠子。

 

所以膠子的發現是非常重要的。1979年9月2日，美國《紐約時報》頭版整篇的消息介紹了這個實驗。中間有一段說：27名中國科學家參加了主要的實驗。在有關核粒子的國際合作研究史上，這是第一次，也是中國的一個重要的貢獻。當年的人民日報也報道了關于膠子的發現。我認為發現膠子的新聞很容易理解，但直到現在我還是不理解（頭版）這個。

 

所以做實驗的第三個體會：對意外的現象要有充分的準備。因為我開始做實驗的時候根本沒想到會發現膠子。

 

第四個實驗花了20年，在歐洲核子中心的L3實驗，就是用周長27公里的政府電子對撞機完成的，用1000億電子伏的正電子和1000億電子伏的電子對撞。至于對撞的溫度，大家可以想到，1000億電子伏的電子對撞，產生的光是很亮的。日光燈管是220伏，1000億電子伏對撞時的溫度是太陽表面溫度的4000億倍，是宇宙誕生最初的1000億億分之一秒時的溫度，也就相當于在實驗室里制造宇宙剛開始時的溫度。

 

第四個實驗要找什么呢？要找宇宙中最基本的粒子。我們說，通常用電，有電子。在宇宙中有幾種不同的電子？電子到底有沒有體積？電子能不能分成更小的東西？你要是問理論物理學家，他們會告訴你，這些都知道了，想這些是沒有意義的。人們之前認為宇宙中只有三種夸克，第四個夸克被我發現以后，現在第五種第六種都已經找到了。發現了第四種，就意味著原來的觀念是錯誤的。到底有多少種夸克？夸克有多大？理論物理學家覺得，這些問題他們已經都知道了?？梢遣蝗プ鰧嶒灒阌肋h不知道事實是怎么回事。

 

L3是一個很大的國際合作組，有很多的國家參加。原來是十幾個國家，在做這個實驗的時候，蘇聯忽然“變成”很多個國家了。實驗用的核心儀器和一間屋子差不多大，包含不少的探測器，儀器內部放有晶體。儀器中的磁鐵都是由線圈組成的，有28個線圈，每個重40噸。蘇聯科學院制造的量能器，有300噸的鈾，一萬個電子信號通道。L3實驗是首次美國、 蘇聯(前)、中國(臺灣)、歐洲等19個國家的600名科學家，共同參加的大型國際合作。中國的主要貢獻是由上海（中科院）硅酸鹽所生產的BGO晶體，BGO晶體是透明的，其比重和鋼相同。當時世界年產量只有4公斤，可是我需要12噸。這個問題被上海科學院（中科院硅鹽酸所）解決了?，F在他們的晶體產品，已被廣泛用于世界的工業及醫學領域。

 

 

 

實驗所用電磁鐵、量能器

 

儀器的電磁鐵和300噸鈾均來自蘇聯。這是蘇聯七十年來在國外做的最大的實驗。那段時間我經常到莫斯科去，最大的印象就是那邊的飯不好吃。這個實驗20年發表了300篇文章，有300個人獲得博士學位?！犊茖W美國人》用雜志封面介紹了我的實驗。實驗的結果可以用三句話總結一下：

 

一、宇宙中只有三種不同的電子。第一種就是我們天天使用的，“走過”導線的電子；第二種是宇宙（射）線上的電子。宇宙（射）線上的電子比我們通常用的電子（即第一種）重200倍；再有一種就是原子里面的電子，比我們通常用的電子重4000倍。

 

二、電子是沒有體積的，電子的半徑小于10∧-17厘米。我開始做實驗的時候，證明電子半徑小于10∧-14厘米，經過三十年的時間減少了三個數量級，就是（意味著）永遠找不到電子的半徑精確的數值。這個是非常奇怪的現象。我們天天用電，但永遠找不到電子的半徑。

 

三、夸克也是沒有體積的，夸克的半徑也小于10∧-17厘米。

 

我的第四點體會：組織一個大型的國際合作，最重要的是要選科學上最重要的題目，引起參加國科學家最大的興趣。因為我并沒有權利要求各國政府支持我，只能幫助他們的科學家向政府解釋實驗的做法。

 

更重要的是，科學是很多人一起做的，絕不是我一個人做的。所以對貢獻大的科學家（投影材料上為“國家”），要有優先的認可，并使之得到國際上的公認，這樣才能得到參加國政府長期的優先支持。人家支持你，你卻把所有的結果都認為是你自己的，這就很不對。

 

 

第五個實驗，就是現在正在做的，國際空間站上的阿爾法磁譜儀實驗，做了快20年了，從1994年開始，將到2024以后。國際空間站是晚上除了月亮和金星以外最亮的“星”，長109米，寬80米，重490噸，造價大概是1011美金。這是20世紀、21世紀人類最大的工程。這個實驗（阿爾法磁譜儀實驗）是國際空間站上最大的實驗，也是首次由美國、中國（臺灣）、俄羅斯、芬蘭、法國、德國、意大利、瑞士等16 個國家和地區在空間中的合作。中國參加的單位有航天部一院、航天部五院、山東大學、中科院電工所、中科院高能所、東南大學、中山大學、臺灣的中山科學院、“中央研究院”、“中央大學”和成功大學。中國最大的貢獻有兩個。第一個是山東大學的熱控制系統；還有一個是中國科學院航天部一院和美國麻省理工學院所做的磁鐵。為什么這個磁鐵重要呢？因為大家都知道，指南針一頭向北一頭向南，假使把一個大磁鐵放到天上，一頭向北一頭向南，就沒辦法控制航天飛機了。這也是多少年來沒有人能把磁鐵放在天上的主要原因。后來這個被電工所、高能所、麻省理工學院、航天部一院用很簡單的辦法解決了。這個簡單的辦法花了四十年時間才完成。1998年，刊登在《科技日報》上的世界十大科學新聞中，第五條（就是）阿爾法磁譜儀：“（1998年）6月2日，裝有中國制造的巨大永磁鐵的阿爾法磁譜儀，首次搭乘美國發現號航天飛機升空”。這是人類第一次把很大很大的磁鐵放到天上。航天飛機沒有一點問題，證明我們的設計是對的。

 

這個實驗有很多的國家參與，用的經費很多。但是，我做實驗只考慮精確度安全度，不考慮錢。所以很多人有不同的意見。2003年2月1號，航天飛機“哥倫比亞”號爆炸，布什總統和美國政府認為航天飛機太過危險，應該取消，也因此把空間站上所有實驗都取消了。所有人都服從美國政府的命令，唯一有不同意見的就是我。我說：你做這個決定是錯誤的，因為做空間站的目的是要做科學實驗。把空間站做好卻沒有科學實驗，就沒有什么意義了。美國的參議院同意我的說法，所以在2008年全體通過了一條法律：HR6063，要求美國政府專門為我們增加一班航天飛機，把我們的儀器送到空間站上。在美國，用國會命令政府做一個科學小實驗，這應該還是第一次。在2008年奧巴馬競選總統的發言上也說，支持增加一班航天飛機把我們的儀器送到國際空間站。當時美國的媒體大多數都有些說法，說政府的決定是錯誤的。

 

這是首次在太空中運行的大型天體物理實驗。所有的探測器都是我們發展的新技術。AMS（阿爾法磁譜儀）儀器上有穿越輻射探測器、飛行時間計數器、硅微條探測器和電磁能量探測器，有一層是中國航天部所做的磁鐵。還有環形切倫科夫計數器，通常用在加速器上，非常精密，要完好地把它送到天上。送到天上的第一個困難，是起飛的時候震蕩非常非常大；第二，在天上，白天和晚上的溫差非常非常大，所以一定要控制溫度。第三，更重要的事情是，到了天上以后，就不知道有沒有壞，不能停下來派一個學生上去維修。這是不可能的。

 

這個實驗第一次可以精確測量電荷（量）、能量、動量，或者剛度。剛度等于動量除以電荷（量），電荷就是（元素在）周期表上的位置。國際空間站每93分鐘繞地球一周，地球每年繞太陽一周，所以國際空間站隨時隨地溫度變化是很大的。因而熱控制系統就是保證AMS運行的最重要設計，這個設計由山東大學的程林教授、崔崢教授等所主持，并由美國航天局，歐洲航天局，還有我所在的麻省理工學院協助。航天器繞地球運轉，信號傳到美國休斯敦，再由休斯敦傳到歐洲核子中心。轉一圈93分鐘，相當于45分鐘左右的白天，45分鐘左右的夜晚。AMS儀器所受到的熱量包括太陽熱量、大氣反射的熱量、地球反射的熱量，白天晚上，即每45分鐘，溫度變化是30度。山東大學熱控制系統是我們這個實驗最重要的儀器，它要長期在外太空工作，現在已經7年了，要工作10年以上，保持溫度的穩定性在3度。

 

山東大學在AMS熱控制系統中具體負責：

 

–  設計主散熱板；

 

–  熱控制系統、飛行件和驗證件的設計、分析、加工、集成和測試；

 

–  在歐洲宇航局進行AMS的熱真空測試；

 

–  負責AMS熱控制系統運行；

 

–  記錄和監控AMS在國際空間站上的運行情況；

 

–  在山東大學持續進行AMS的熱學分析；

 

這些長期的獨有的知識和經驗對中國載人航天是很重要的，是唯一的，別人沒有的。

 

有16位老師做出了主要貢獻。最主要的貢獻者有程林、崔崢和孫鍥，今天大概都到了場。另有33名學生參加了實驗。所有的儀器通常做兩個：一個在地面做測試，另一個是飛行件。

 

這個技術為什么重要：除了做我們的實驗以外，將來走向太空，第一步在月球上建立基地，第二步是火星探測。在火星上，白天和晚上的溫度差100度，同時來回需要三年。如果不能控制溫度的話，去不成，也不可能回來。100年以前，從山東到美國，坐船的話要兩個月，現在只有十幾天。所以再過一百年，我猜想，到月球或者到星際，可能是件比較容易的事情。人只要有好奇心，是永遠不會停止向前的。但向前所需要的，重要的，制作熱控制系統的經驗，只有在山東大學才有。

 

飛行件，5米×4米×3米，重7.5噸。美國宇航局的人跟我說，上天的重量，是應該按黃金來計算的，那就等于用了7.5噸的黃金。5月16號起飛，之后傳來的照片上有兩個宇航員出艙。宇航員出艙是非常危險的，所以通常一定有兩個人。他們出艙與我們沒有關系，是維修空間站。我非常不希望他們碰我們任何的東西。

 

熱控制系統的運行：從AMS到空間站起，山東大學負責熱控制系統的運行，并在山東大學進行在軌數據分析。根據現在美國的法令，美國的知識是不能傳給中國的。于是我就說，這個儀器不是美國宇航局的，是我們的儀器。他們說法令就是法令。最后商量的結果是麻省理工學院派3位科學家做翻譯，把山東大學熱控制系統所發出的指令傳達到宇航局航天中心。

 

實驗的第一個目標是尋找宇宙中暗物質的來源。宇宙中大約有90%的物質是看不見的，所以稱作暗物質。怎樣尋找暗物質？第一個關鍵字：它是看不見的。暗物質用χ來表示，碰撞的時候變成能量，能量變成質量，變成正電子和反質子，可以被AMS探測到。與此同時，普通的宇宙線碰撞以后也可以產生正電子和反質子，被AMS接受。所以如果暗物質湮滅產生多余的正電子和反質子，可以被AMS精確測量。在AMS實驗以前，全球也有很多做電子、正電子精密測量的實驗，但數據的誤差非常大，根本分辨不出來是怎么回事。這是因為測量正電子和電子非常困難。AMS測量正電子和電子的最新結果是正電子和電子的流強不同，它們隨能量的變化也不同。這就非常奇怪，可以想一想為什么：因為宇宙是中性的。

 

數據很多，2810萬個電子，190萬個正電子。（正電子）它的特性，不需要任何理論就能看出來。在能量很低的時候，數據與宇宙線碰撞模型的計算是符合的；在能量為80億電子伏以上，正電子能譜是平的；300億電子伏特以后，正電子能譜再次上升；到了3000億電子伏特時，達到最高值；之后正電子能譜快速地下降。很難解釋。所有物理現象都應該是一個很均勻的分布，是很自然的，但正電子是不一樣的。但正電子能譜與質量為1萬2千億電子伏特的暗物質模型是完全符合的。

 

但這個實驗到現在為止誤差還是很大，大概還要做十年的時間才能把高能部分搞出來，因為高能部分數據非常非常少。所以雖然現在的結果與暗物質是符合的，但并不能證明暗物質存在。

 

第二個目標：精確測量宇宙線。我們有7個探測器，對宇宙線的各種原子核進行精確的測量。宇宙線有2種：初級宇宙線和次級宇宙線。初級宇宙線就是很原始的宇宙線，比方說質子，氦，碳，氧……產生以后，在宇宙中飛行幾百萬年，被AMS探測到。初級宇宙線從他們的起源一直傳播到AMS。所以，初級宇宙線攜帶了關于他們起源和傳播的信息。

 

在AMS之前，過去一百年來全球測量質子流強的實驗最好的結果仍具有很大的誤差，相互之間不一致。這限制了對宇宙線的認識。有很多不一樣的結果，就意味著任何理論都可以符合。AMS采集了3億個結果，（在2000億電子伏錢）符合理論結果，但到2000億電子伏之后就不一樣了，有新的現象存在。實驗的結果和理論預測不一樣，推翻了幾十年來的傳統理論。

 

在我們之前，測量初級宇宙線（氦，碳、氧）的結果沒有一個清楚的規律。但我們的結果非常奇怪，AMS初級宇宙線的測量結果是，氦、碳、氧隨著剛度的增加發生完全相同的變化。氦測了9000萬個數據，碳840萬個數據，氧700萬個數據，量是很大的。

 

同時有一個現象，在2000億伏以后，氦，碳、氧以完全相同的方式上升，這是出乎意料的結果。沒有任何一個結果和以前的結果是一樣的，沒有任何一個結果和理論推測是一樣的。用中國話說，叫“天下大亂”了。

 

除了初級宇宙線以外，還有次級宇宙線(鋰，鈹，硼…)。次級宇宙線是由初級宇宙線和星際物質碰撞產生的，所以次級宇宙線提供了宇宙線傳播過程和星際物質的特性。鋰測了190萬個數據，鈹90萬個數據，硼260萬個數據。次級宇宙線（鋰、鈹和硼）隨著剛度具有相同的行為，但他們在2000億伏以后慢慢改變方向。次級宇宙線和初級宇宙線隨剛度發生不同的變化，這是想象不到的結果。

 

“碳－氮－氧循環”是恒星能量的來源，是1939年Bethe提出來的，因此在1967年拿到諾貝爾獎。

 

“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 … “

 

他獲得諾貝爾獎時，實驗在太陽系中測量了碳、氮、氧比例的聯系。我們測量了銀河戲中的比例。在太陽系內氮／氧＝0.17，在銀河系中氮／氧＝0.09；太陽系內碳／氧＝0.54，銀河系內碳／氧＝0.90。

 

在宇宙中除了原子外還有上百種帶電的基本粒子。只有電子、質子、正電子和反質子具有無限長的壽命,能夠在宇宙中一直穿行，直到被AMS接收為止。根據測量，隨著能量的增加，質子和反質子的能譜具有相同的行為。如果大家認為如果認為反質子是質子碰撞的產物，就很難想象這種結果。

 

最出乎意料的是：正電子、反質子和質子的能譜是一樣的，但是反質子和質子的質量比正電子的質量大2000倍。這和地面上的經驗完全不同。電子的能譜則是完全不一樣的。4月15號，我在西班牙組織了一個國際會議，邀請了世界上最有名的的科學家來討論，到現在為止還沒有人能解釋。

 

美國物理學會過去10年共發表了20000篇重要物理結果(PRL)其中52篇最重要的物理結果入選“編輯建議”十周年回顧, 包括：

 

•  AMS暗物質論文

 

•  發現重力波(2017年獲諾貝爾獎）

 

•  發現117號元素

 

能看出，AMS已經開始為人類的知識做出重要貢獻。

 

AMS的另一個目標是尋找由反物質組成的宇宙。如果宇宙起始于大爆炸，大爆炸之前是真空，那么大爆炸之后應該有相同數量的物質與反物質。過去50年，沒有實驗在太空中精確地尋找到反物質。所以，理論物理學家認為，對稱性是破壞的，對稱性理論是錯誤的，反物質在宇宙中是不存在的。

 

正因如此，過去50年大家都在找對稱性破壞，卻沒有找到。但AMS找到了一個反氦-4的候選事例。所涉及的（反氦-4的）動量=32.6 ± 2.5 GeV/c，電荷=-2.05±0.05。（現觀測的）所有氦的電荷都是正的，只有它是負的。它的質量=3.81±0.29 GeV/c2，而4He質量=3.73 GeV/c2，質量是一樣的，唯一不同的就是電荷。這表示宇宙中非常非常有可能有反粒子存在。找這種氦是很困難的。每1億個氦數據中，只有1個反氦。為了確保數據的準確性，現在正在對探測器進行精確的驗證。

 

我們測量的正電子的結果和暗物質的理論是符合的，但是要完全證明找到暗物質，還需要幾年的時間。宇宙線的各種原子核的能量分布，都與現有的宇宙線理論不符合。AMS推翻了以前所有的理論，帶來了新的知識。

 

但AMS最重要的結果是，探索到自然界中存在,然而我們卻無法想像的,前所未有的現象。這才叫“向前走”。

 

我剛拿到物理博士學位的時候是60年代，那時候最新的儀器是美國300億電子伏的質子加速器。根據專家的意見，（原定目標）是了解原子核力的來源。實際發現是2種中微子、時間對稱破缺、J粒子；70年代，美國4000億電子伏的質子加速器，原來是想找中微子，實際上發現了第5種夸克、第6種夸克；

 

70年代，美國60億電子伏正負電子對撞機，原來的目標是量子電動力學，實際的發現是部分子、第四種夸克、第三種電子；80年代，德國400億電子伏正負電子對撞機，原來的目標是第6種夸克（實際的發現是膠子（有中國科學家參與））；2000年，日本地下實驗室，原來的目標是質子壽命（實際的發現是中微子有質量）；哈伯望遠鏡，原來的目標是銀河探索，最后找到了暗能量。

 

科學是多數服從少數，只有少數人把多數人的觀念推翻以后，科學才能向前發展。因此，專家評審并不是絕對有用的。因為，專家評審是依靠現有的知識，而科學的發展是推翻現有的知識。所以受到別人的反對是很好的事情。

 

剛才已經說過了，現在再來總結一下山東大學和AMS：

 

1.  山東大學現在主要工作合作者：美國宇航局、美國麻省理工學院。麻省理工學院現在有大約50位科學家（參與實驗）。

 

2.  程林教授主要負責熱控制系統的設計，主管AMS整個熱控制系統。空間站白天（46.5分鐘）和晚上（46.5分鐘）的溫度變化超過30度。所以，熱控制系統是最主要、最關鍵的儀器，要長期保持AMS儀器的溫度穩定在上下起伏小于等于3度。

 

3.  AMS主要團隊有：

 

1)    德國亞琛大學、卡爾斯魯厄大學

 

2)    中國山東大學、航天部、中山大學、東南大學、電工所

 

3)    意大利佩魯賈大學、羅馬大學、特倫托大學、博洛尼亞大學、比薩大學等

 

4)    美國宇航局休斯頓航天中心

 

5)    美國麻省理工學院

 

6)    臺灣中央研究院、中央大學

 

7)    中國科學院高能所

 

8)    瑞士日內瓦大學

 

9)    西歐核子中心

 

10)    西班牙國家核子物理研究中心CIEMAT

 

這個實驗對工程上的意義在于建造載人登月、登火星的熱控制系統和通信系統。希望山東大學和世界上知名的學校和航天機構繼續合作，對人類認識宇宙的奧秘繼續做出重要的貢獻。

 

這個實驗是由16個國家花了20年的時間建成的。AMS是太空中唯一的磁譜儀，今后幾十年內，不可能再有第二個磁譜儀。AMS所有的結果都是獨一無二的，改變了人類對宇宙的認識。

 

我最后一個體會：自然科學的研究，是具有競爭性的，只有第一，沒有第二。沒有人知道誰是第二個發現相對論的人。

 

謝謝大家。

 

丁肇中

2018.7.6

于山東大學