唐承革

2010年，美国的航天飞机将完成它的使命，陆续退出历史舞台。在告别历史舞台的最后几次飞行中，由于国际空间站(ISS)货运压力很大，还有10多项运送任务需要航天飞机来完成，美国宇航局(NASA,)决定取消一项原来计划中的实验——反物质星系探测实验。但是，鉴于此项实验的意义重大，国会坚决要求NASA完成这项任务，并在2008年6月18日众议院开会时，以409票支持对15票反对通过了一项提案，要求NASA额外增加一次航天飞机飞行，将阿尔法磁谱仪(AMS)运抵国际空间站，并为此次航天飞机的发射提供了1500万美元的发射经费。

航天飞机的这项特殊任务是将一个阿尔法磁谱仪(AMS)安装到国际空间站上。AMS是一个高1米、直径1米的圆柱形空心磁体，它由钕、硼、铁合金构成，产生一个0.15T的均匀磁场。AMS可以非常准确地测量高能宇宙射线，当它安装在空间站的构架上时，将有宇宙中的各种粒子涌入传感器，磁体内镶着叠成6层的一系列硅探测器，这时记录有关数据，再用电子计算机进行数据处理，从而确定是否有反质子、反氦核乃至反碳核穿过。

AMS实验是人类第一次在太空中使用磁谱仪进行的粒子物理研究，这个大胆设想是十多年前著名的高能物理实验科学家、诺贝尔奖获得者丁肇中教授提出的，是一项大型的国际性科研课题，参加国有美国、中国、俄罗斯、意大利、瑞士、德国、芬兰等16个国家和地区的56个研究机构，参与的科学家约500人。中国科学院电工研究所、高能物理研究所和中国运载火箭技术研究院及一些大学参加了这项重大的国际科学研究的合作项目，并负责研制AMS的最关键任务。阿尔法磁谱仪实验包括三大主要物理目标：寻找宇宙中的反碳核、反氦核及其他更重的反核来确定宇宙中是否存在反物质；寻找宇宙中可能存在的暗物质；精确测量宇宙中各种同位素的丰度和高能Y，并探索未知的物理现象。

反物质量系

如果我们将自然界缤纷多样的宏观物体还原到微观本质，它们都是由质子、中子和电子组成的，这些基本的粒子都可以分成为正、反两种，正粒子与反粒子的结构相同，但电性和磁性恰好相反。组成我们周围世界的物质的原子核是由质子和中子组成，带正电；而反物质的原子核是由反质子和反中子组成，带负电荷。正物质和反物质间的关系很古怪，是势不两立的“敌人”，它们一旦相碰就会同归于尽，化成一阵y射线暴，此过程称为湮灭。

为什么我们在日常生活中接触不到反物质呢?这是因为人类是生活在一个正物质的世界里，我们接触到的所有物质都是正物质，组成这些物质的原子核带正电，电子带负电。只有通过科学研究才能发现或制造出极少的反粒子。人类是在20世纪30年代初才发现了有带正电的电子，这是人们认识反物质的第一步。到了50年代，随着反质子和反中子的发现，人们开始明确地意识到，在自然界中任何基本粒子都有其相应的反粒子存在，只是在我们的世界里，这些反粒子很少，成不了气候，也构成不了反物质。

那么，在浩然的宇宙中有没有反物质?有没有反物质组成的反恒星和反星系?这是物理学家和天文学家关心的问题。一些物理学家认为在宇宙诞生后的第1秒内，物质和反物质都没有被对方完全消灭，他们在宇宙中占据了各自的地盘，因此推测在宇宙的某个空间，可能潜伏着反物质，形成反恒星、反星系，甚至是反生命。

但是，从今天观测到的结果得出结论：在3000万光年的范围内不会有巨大的反物质星系存在，理由是：

▲月亮是离我们最近的天体，人类已经登上了月球。如果月球是由反物质组成的，那么登月的航天员在与月球接触时，湮灭过程早已把他转化为介子了。

▲太阳也不可能是反物质星体，若太阳是反物质恒星，太阳风就由反原子组成，它吹到行星上，就会和行星的正原子相湮灭，于是正物质组成的行星会逐渐消失。事实证明这种消失过程没有发生，说明整个太阳系中没有反物质天体。

▲在千亿个恒星构成的银河系里也没有反恒星。这是因为现在从地面上接收到的宇宙射线粒子中，反质子仅是质子的万分之几，并且这少量的反质子是高能粒子碰撞的次级产物，并不是原始的。此外，宇宙射线中有很少的a粒子(即氦核)，但反a粒子却一个也没有发现过，这些事实说明原初的宇宙射线是由正物质组成的。同时，现在也没有发现正反星系相撞产生的Y射线。于是得出结论：在3000万光年的范围内不会有巨大的反物质星系存在。

在这样的结果面前，人们的看法分成了两种。一种认为宇宙中正反物质应当是等量的，需要的是从更远处去寻找反物质星系存在的证据。据丁肇中的看法，反物质可能统治着本星系群外的某些空域，它们是如此遥远，以致其特征性湮灭信号十分微弱，难分真伪。因此，研制更精确的仪器来俘获这些信号及将其放在太空，避免其他干扰是研究反物质星系的好方法。另一种认为事实已暗示，宇宙中没有大量的反物质存在，需要的是从宇宙的演化中去寻找造成今天没有反物质的原因。在国际空间站上安置AMS仪可以对此两种看法做出结论。

探测宇宙射线非丁肇中的首创，半个多世纪之前，科学家就开始了对宇宙线的研究。不过地面探测只能抓捕到所谓二次粒子，是宇宙射线跟地球大气中的原子核发生碰撞后产生的粒子碎片，从它们身上只能揭示出原始宇宙线的能量，却看不到它的本来面貌。1979年，美国科学家把一个有60层楼高的巨大气球放到离地面35千米的高空，气球上载有一批十分灵敏的探测仪器，但因停留的时间太短，仅几个小时，只猎取了28个反质子。尽管如此，这是在地球以外第一次发现的反物质，意义非凡。这次丁肇中要做的是太空实验，就此而言，可说是首创。丁肇中认为，AMS成功的可能性很大，因为太空实验没有地面、高空(气球)探测所固有的缺点。AMS能把原始宇宙线与大气碰撞之前即将其抓获，从而能见到其庐山真面貌。另一方面它又能长期滞留在空间，对大量的宇宙粒子举行筛选，获得反粒子的机会更大。

重大意义

为什么美国国会如此“开恩”，专门为运送AMS而特批增加航天飞机飞行次数和经费呢?这是因为AMS实验将有可能成为解决宇宙中是否存在反物质和暗物质两个科学难题的最好方法。根据目前公认的大爆炸学说，宇宙是由大约在150亿年前的大爆炸产生的。大爆炸应该产生同样数量的物质和反物质。可迄今为止，没有观察到在宇宙中有反物质存在。宇宙中究竟是否存在反物质?这是目前粒子物理学家和天体物理学家关注的焦点之一，探测反物质的关键是必须把一个强有力的磁探测器送入太空，以测量宇宙中原子核的电荷。几十年来，物理学家提出过各种方案企图将磁谱仪送入太空，但由于无法制造一个可以在太空运行的磁铁而未能如愿。现在，中国研制的磁谱仪完全能满足AMS实验在空间运行的要求，并能精确地检测到反粒子。如果阿尔法磁谱仪的观测证实了远处有巨大的反物质区存在，那么这肯定是一个里程碑式的发现。它的意义不仅证实了宇宙中有反物质天体，更重要的是它对物理学提出了严峻的挑战。

当今天体物理和宇宙论的另一大难题是寻找暗物质。AMS的另一个功能是有助于解答暗物质的特性。科学家们已经知道宇宙中的大部分是由看不见的暗物质组成，但他们不知道暗物质是什么。为此，科学家们提出了各种各样的理论，因为没有事实根据，谁也说服不了谁。其中获得大多数人认可的理论是：暗物质是由一种特殊的粒子组成，这种粒子之间发生碰撞将产生大量的高能正电子，可以通过AMS是否采集到宇宙中的大量正电子来确定暗物质是否由这种粒子构成的。因此，AMS有望解开困扰物理学家数十年的暗物质之谜。

阿尔法磁谱仪还能对宇宙中其他各种同位素的相对丰度进行精确的测量，这些测量结果将能回答宇宙论和天体物理学中的许多重大问题。作为人类送入太空的第一个磁谱仪，这个实验很可能会有意外的重大发现。因此，阿尔法磁谱仪引起了世界各国科学家的极大兴趣。它是目前在阿尔法空间站上计划的唯一的大型科学实验。