论文部分内容阅读
2011年5月16日，美国“奋进”号航天飞机进行谢幕飞行，将“阿尔法”磁谱仪（AMS-02）送往国际空间站。AMS-02是寻找反物质的又一把神奇的“钥匙”，在今后数年里它将在浩瀚苍穹中寻找可能存在的反物质世界。
“反物质”这个名词咋一听，似乎有些虚无缥缈，但事实上科学实验已经证实，反物质是一种客观存在的实体。
那么，什么是反物质？比较详細的回答是这样的：现代物理学发现所有的基本粒子都是成对的，成对的粒子的质量相等，但所带的电荷和其他特性却是相反的。比如，有带负电荷的负电子，就有对应的带正电荷的正电子；有带负电荷的质子，就有对应的带正电荷的反质子；有中子，就有对应的反中子。所谓反物质，与自然界存在的物质相反，是由带负电的原子核和带正电的电子组成的。反物质还有一个重要特性，就是一旦它与物质相遇就会释放出极其巨大的能量，并且双双消失在爆发之中。这种现象被称为“湮灭”。
在美国科幻片《星际迷航》里，宇航员把反物质用作星际飞船的燃料，而美国作家丹•布朗在畅销书《天使与魔鬼》中，把反物质描述成人类目前所知威力最大的能量源，它能以百分之百的效率释放能量，不造成污染，不产生辐射。然而，由于未知的原因，当今世界主要由物质构成，反物质似乎并不存在于自然界，正反物质的不对称疑难是物理学界所面临的一大挑战。
缘起
被誉为反物质之父的英国物理学家、诺贝尔奖获得者保罗•狄拉克在1928年就预言反电子（即正电子）是存在的。他还说，地球（而且有可能是整个太阳系）是物质世界，但或许这在宇宙中是偶然现象，在其他星球上可能是另一番景象，那些星球可能主要是由反物质构成的。实际上，宇宙可能是由等量的物质和反物质构成的。
就在狄拉克作出预言四年后，反电子果然被美国物理学家安德逊发现了。到1955年，美国物理学家西格雷更是在高能质子同步加速器中，用人工方法获得了反质子；1978年，欧洲的一些物理学家又成功地分离和储存了300个反质子；1979年，美国新墨西哥州立大学的科学家把一个有60层楼高的巨大氦气球放飞到离地面35公里的高空，让其飞行8小时后竟神奇地捕获了28个反质子。反物质的储存和运输是一个全新的课题，科学家们已经在这方面有所建树，比如将反物质保存在被称为“陷阱”的地方，就不会与我们的物质世界接触而发生“湮灭”。
如上所述，人类已经能够在实验室中制造反物质并将其保护起来。那么宇宙中是否像狄拉克预言的那样，真的存在着反物质世界？
根据对称宇宙学的理论，宇宙中应该存在反物质世界，因为人类已经看到的河外星系是庞大而稀薄的气体云团，它们由等离子体构成。等离子体既包括粒子又包括反粒子。当气体云在万有引力作用下开始收缩时，粒子和反粒子相遇便产生湮灭反应，同时释放出巨大的能量。话又要说回来，既然宇宙中可能存在反物质甚至反物质世界，那么粒子与反粒子相遇发生湮灭，能化为光能量和光子辐射，可这种光子辐射人们至今尚未发现，这又是什么原因？对此疑问，有些科学家猜想，在整个宇宙中，物质和反物质确实应以同等数量存在，只是反物质集中在遥远的星系中，与由物质组成的星系相距无比遥远。当然，反物质星球和星系也会发出光和其他辐射线，但到目前为止，科学家们尚只能依靠测量辐射能的方法来研究、探索遥远的星系，根本无法判定那些辐射线是由物质星还是由反物质星发出的。
还有些科学家猜测，在早期宇宙中，物质与反物质相互湮灭后，可能会有一些反物质躲过了这场“肃清”运动，留下一些“遗孤”。当然，若有“遗孤”存在，最直接的证据是能找到反氦原子核。另据报道，1997年4月美国海军研究实验室、美国西北大学和加州大学伯克利分校等几个研究机构的天文学家宣布，他们利用伽马射线探测器，发现在银河系上方约3500光年处有一个不断喷发反物质的反物质源，它喷射出的反物质竟形成一个高达2940光年的“喷泉”！若果真有其事，可以称得上是反物质研究领域中的重大发现。
初探
反物质或反物质世界在宇宙中究竟是否存在？若有，又可能在何方？这是美籍华裔诺贝尔奖获得者丁肇中教授正在研究的课题。他和一些物理学家合作，由他领导组成了反物质探测小组，研制成功了阿尔法磁谱仪-01号（AMS-01）。这个探测小组里也有中国的科技工作者，例如中国航天科技集团公司一院研制、生产了AMS探测器的核心部分——磁体主结构；中国科学院电工研究所研制成功了永磁铁。AMS-01探测器于1998年6月3日（北京时间）由“发现号”航天飞机送入太空，时间共10天。
AMS-01是一种灵敏度极高的仪器。它的主体位于一个圆筒状的结构中，放置着以钕、铁、硼为材料、磁场强度极高的永久磁铁，磁铁后面的探测器负责记录带不同电荷的物质在通过磁场后的偏转轨迹。AMS的工作原理是：由于物质和反物质最大的不同在于电荷相反（物质带正电，反物质带负电），将两者放置在磁场中时，若正电荷向左转，那么负电荷就向右转。如果探测仪传回地球的信息中显示出这样的偏转，试验目的就基本上达到。因为当反氦原子核从AMS中穿过时，它在强磁场作用下呈现出偏转轨迹，我们就能确认反物质存在！反氦原子核一定来自反物质世界。
尽管AMS-01在探测了数百万个氦原子核后，仍没有发现反氦原子核，但它却在地球赤道附近测得正电子比负电子多出4倍以上。地球是中性的，多出的正电子来自何方？这使丁肇中教授更加坚定了信心，要继续探测来自反物质星系的微弱信号。
再探
为进一步提高观测精度，再次探测可能有来自反物质星系的微弱信号，丁肇中带领他的团队首先将AMS-01的主体——永磁铁，更换为磁场强度是地球磁场近两万倍的低温超导磁铁。这是迄今为止送入太空的第一个超导磁体，技术难度极大；并给出了宇宙中反氦原子核和氦原子核流量之比的最大值——十亿分之一，比AMS-01提高了1000倍（AMS-01的最大“流量”之比为百万分之一）。这个数字说明如果到时还没有探测到反物质存在的信息——反氦原子核，那么在10亿秒差距（1秒差距=3.26光年）范围内将不存在反物质星系，因为10亿秒差距基本上已达到了目前可观测宇宙的边缘。这座新的磁谱仪被定名为阿尔法磁谱仪-02（AMS-02）。
可以自豪地讲，在AMS-02的研制中，中国科技工作者的贡献是极大的，其磁体主结构仍使用由中国航天科技集团一院在研制AMS-01时研制的磁体主结构。即使已储存达13年之久，经严格的测试仍完全满足AMS-02的使用条件。这充分说明我国航天工业产品性能优良、安全可靠。同时，在AMS-02设备中，中国航天科技集团一院还参与研制了安装电磁量能器用的结构件，电磁量能器重达595公斤，但要用的结构件总重仅67公斤，要实现承载大、变形小、自身重量轻的优良性能，其技术难度之大可想而知。中国航天科技集团一院的科技工作者迎难而上，出色地完成了该结构件的设计、生产、地面试验等工作，于2003年即运抵欧洲，并成功在AMS-02中保证了电磁量能器的正常工作。丁肇中是这样评价的：“中国科学家（包括大陆和台湾）为磁谱仪做出了决定性的贡献。”
AMS-02重达7吨，盛放AMS-02的“桌子”有一辆小型公共汽车那么大，它需要有强大的电力支持。因此，AMS-02与AMS-01的又一个不同之处是，它要依赖国际空间站，而AMS-01可以依赖普通卫星。AMS-02中有一台超级计算机用来计算每个粒子的质量、能量和电性，由于AMS-02产生的数据量过大，无法传回地球，只能在轨道上用这台超级计算机来处理，它需要耗能2.5千瓦，远远超过了普通卫星由太阳能板所提供的电能，但国际空间站的电力供应范围为100千瓦，对AMS-02需用电量绰绰有余。AMS-02一旦由航天飞机送上国际空间站，预期可工作3～5年。为了运送AMS-02上国际空间站，美国还专门批准了“奋进”号航天飞机于2011年5月16日作最后一次额外飞行。
AMS-02除了搜寻反物质星系外，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。了解奇异物质将帮助科学家研究微类星体和微型原始黑洞的蒸发。AMS-02还将检验暗物质的主流理论——因为在标准的宇宙学模型中，宇宙物质的绝大部分是由暗物质构成的，它们占了宇宙物质的83%，但它们的性质至今未知。
AMS-02已经上天，在国际空间站紧张地工作着。丁肇中和他的研究团队的又一次奋力一搏，或许将见分晓！
（作者单位：上海航天局）
“反物质”这个名词咋一听，似乎有些虚无缥缈，但事实上科学实验已经证实，反物质是一种客观存在的实体。
那么，什么是反物质？比较详細的回答是这样的：现代物理学发现所有的基本粒子都是成对的，成对的粒子的质量相等，但所带的电荷和其他特性却是相反的。比如，有带负电荷的负电子，就有对应的带正电荷的正电子；有带负电荷的质子，就有对应的带正电荷的反质子；有中子，就有对应的反中子。所谓反物质，与自然界存在的物质相反，是由带负电的原子核和带正电的电子组成的。反物质还有一个重要特性，就是一旦它与物质相遇就会释放出极其巨大的能量，并且双双消失在爆发之中。这种现象被称为“湮灭”。
在美国科幻片《星际迷航》里，宇航员把反物质用作星际飞船的燃料，而美国作家丹•布朗在畅销书《天使与魔鬼》中，把反物质描述成人类目前所知威力最大的能量源，它能以百分之百的效率释放能量，不造成污染，不产生辐射。然而，由于未知的原因，当今世界主要由物质构成，反物质似乎并不存在于自然界，正反物质的不对称疑难是物理学界所面临的一大挑战。
缘起
被誉为反物质之父的英国物理学家、诺贝尔奖获得者保罗•狄拉克在1928年就预言反电子（即正电子）是存在的。他还说，地球（而且有可能是整个太阳系）是物质世界，但或许这在宇宙中是偶然现象，在其他星球上可能是另一番景象，那些星球可能主要是由反物质构成的。实际上，宇宙可能是由等量的物质和反物质构成的。
就在狄拉克作出预言四年后，反电子果然被美国物理学家安德逊发现了。到1955年，美国物理学家西格雷更是在高能质子同步加速器中，用人工方法获得了反质子；1978年，欧洲的一些物理学家又成功地分离和储存了300个反质子；1979年，美国新墨西哥州立大学的科学家把一个有60层楼高的巨大氦气球放飞到离地面35公里的高空，让其飞行8小时后竟神奇地捕获了28个反质子。反物质的储存和运输是一个全新的课题，科学家们已经在这方面有所建树，比如将反物质保存在被称为“陷阱”的地方，就不会与我们的物质世界接触而发生“湮灭”。
如上所述，人类已经能够在实验室中制造反物质并将其保护起来。那么宇宙中是否像狄拉克预言的那样，真的存在着反物质世界？
根据对称宇宙学的理论，宇宙中应该存在反物质世界，因为人类已经看到的河外星系是庞大而稀薄的气体云团，它们由等离子体构成。等离子体既包括粒子又包括反粒子。当气体云在万有引力作用下开始收缩时，粒子和反粒子相遇便产生湮灭反应，同时释放出巨大的能量。话又要说回来，既然宇宙中可能存在反物质甚至反物质世界，那么粒子与反粒子相遇发生湮灭，能化为光能量和光子辐射，可这种光子辐射人们至今尚未发现，这又是什么原因？对此疑问，有些科学家猜想，在整个宇宙中，物质和反物质确实应以同等数量存在，只是反物质集中在遥远的星系中，与由物质组成的星系相距无比遥远。当然，反物质星球和星系也会发出光和其他辐射线，但到目前为止，科学家们尚只能依靠测量辐射能的方法来研究、探索遥远的星系，根本无法判定那些辐射线是由物质星还是由反物质星发出的。
还有些科学家猜测，在早期宇宙中，物质与反物质相互湮灭后，可能会有一些反物质躲过了这场“肃清”运动，留下一些“遗孤”。当然，若有“遗孤”存在，最直接的证据是能找到反氦原子核。另据报道，1997年4月美国海军研究实验室、美国西北大学和加州大学伯克利分校等几个研究机构的天文学家宣布，他们利用伽马射线探测器，发现在银河系上方约3500光年处有一个不断喷发反物质的反物质源，它喷射出的反物质竟形成一个高达2940光年的“喷泉”！若果真有其事，可以称得上是反物质研究领域中的重大发现。
初探
反物质或反物质世界在宇宙中究竟是否存在？若有，又可能在何方？这是美籍华裔诺贝尔奖获得者丁肇中教授正在研究的课题。他和一些物理学家合作，由他领导组成了反物质探测小组，研制成功了阿尔法磁谱仪-01号（AMS-01）。这个探测小组里也有中国的科技工作者，例如中国航天科技集团公司一院研制、生产了AMS探测器的核心部分——磁体主结构；中国科学院电工研究所研制成功了永磁铁。AMS-01探测器于1998年6月3日（北京时间）由“发现号”航天飞机送入太空，时间共10天。
AMS-01是一种灵敏度极高的仪器。它的主体位于一个圆筒状的结构中，放置着以钕、铁、硼为材料、磁场强度极高的永久磁铁，磁铁后面的探测器负责记录带不同电荷的物质在通过磁场后的偏转轨迹。AMS的工作原理是：由于物质和反物质最大的不同在于电荷相反（物质带正电，反物质带负电），将两者放置在磁场中时，若正电荷向左转，那么负电荷就向右转。如果探测仪传回地球的信息中显示出这样的偏转，试验目的就基本上达到。因为当反氦原子核从AMS中穿过时，它在强磁场作用下呈现出偏转轨迹，我们就能确认反物质存在！反氦原子核一定来自反物质世界。
尽管AMS-01在探测了数百万个氦原子核后，仍没有发现反氦原子核，但它却在地球赤道附近测得正电子比负电子多出4倍以上。地球是中性的，多出的正电子来自何方？这使丁肇中教授更加坚定了信心，要继续探测来自反物质星系的微弱信号。
再探
为进一步提高观测精度，再次探测可能有来自反物质星系的微弱信号，丁肇中带领他的团队首先将AMS-01的主体——永磁铁，更换为磁场强度是地球磁场近两万倍的低温超导磁铁。这是迄今为止送入太空的第一个超导磁体，技术难度极大；并给出了宇宙中反氦原子核和氦原子核流量之比的最大值——十亿分之一，比AMS-01提高了1000倍（AMS-01的最大“流量”之比为百万分之一）。这个数字说明如果到时还没有探测到反物质存在的信息——反氦原子核，那么在10亿秒差距（1秒差距=3.26光年）范围内将不存在反物质星系，因为10亿秒差距基本上已达到了目前可观测宇宙的边缘。这座新的磁谱仪被定名为阿尔法磁谱仪-02（AMS-02）。
可以自豪地讲，在AMS-02的研制中，中国科技工作者的贡献是极大的，其磁体主结构仍使用由中国航天科技集团一院在研制AMS-01时研制的磁体主结构。即使已储存达13年之久，经严格的测试仍完全满足AMS-02的使用条件。这充分说明我国航天工业产品性能优良、安全可靠。同时，在AMS-02设备中，中国航天科技集团一院还参与研制了安装电磁量能器用的结构件，电磁量能器重达595公斤，但要用的结构件总重仅67公斤，要实现承载大、变形小、自身重量轻的优良性能，其技术难度之大可想而知。中国航天科技集团一院的科技工作者迎难而上，出色地完成了该结构件的设计、生产、地面试验等工作，于2003年即运抵欧洲，并成功在AMS-02中保证了电磁量能器的正常工作。丁肇中是这样评价的：“中国科学家（包括大陆和台湾）为磁谱仪做出了决定性的贡献。”
AMS-02重达7吨，盛放AMS-02的“桌子”有一辆小型公共汽车那么大，它需要有强大的电力支持。因此，AMS-02与AMS-01的又一个不同之处是，它要依赖国际空间站，而AMS-01可以依赖普通卫星。AMS-02中有一台超级计算机用来计算每个粒子的质量、能量和电性，由于AMS-02产生的数据量过大，无法传回地球，只能在轨道上用这台超级计算机来处理，它需要耗能2.5千瓦，远远超过了普通卫星由太阳能板所提供的电能，但国际空间站的电力供应范围为100千瓦，对AMS-02需用电量绰绰有余。AMS-02一旦由航天飞机送上国际空间站，预期可工作3～5年。为了运送AMS-02上国际空间站，美国还专门批准了“奋进”号航天飞机于2011年5月16日作最后一次额外飞行。
AMS-02除了搜寻反物质星系外，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。了解奇异物质将帮助科学家研究微类星体和微型原始黑洞的蒸发。AMS-02还将检验暗物质的主流理论——因为在标准的宇宙学模型中，宇宙物质的绝大部分是由暗物质构成的，它们占了宇宙物质的83%，但它们的性质至今未知。
AMS-02已经上天，在国际空间站紧张地工作着。丁肇中和他的研究团队的又一次奋力一搏，或许将见分晓！
（作者单位：上海航天局）