暗物质：长达30年的漫长寻找

nshukwrd

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。）
  
本文选自：今日头条