台湾物理学家李世昌谈AMS的研究意义——“此曲只应天上有”

AMS实验楼位于欧洲核子研究中心，中央控制室就像航天中心的控制室一样，可以看到国际空间站的运行情况。几十位科学家昼夜值班，收集来自宇宙射线的密集数据。

丁肇中向作者姚诗煌介绍情况。

丁教授走出了第一步

宇宙射线的研究，对粒子物理学做出过重大的贡献，第一个反物质——反电子就是1932年在宇宙射线中发现的。上世纪五、六十年代，对粒子的研究转移到了加速器。于是，加速器越造越大，CERN的大型加速器，周长已经做到27公里了。再要做更大的，没那么容易，而且要采用新的加速技术。通过高速粒子的对撞，人类的视野已能深入到比原子核小一万倍的范围，如果还要再提高对撞粒子的能量，已近极限；而宇宙射线的粒子能量，要远远高于加速器的粒子能量。所以，粒子物理学再要向前，就得转变思路，包括回归到对宇宙射线的研究。AMS的实验，把粒子探测器搬到了太空，这是前所未有的。丁先生走出了第一步，他是这个领域的先锋，是敢于“第一个吃螃蟹”的人。在未来的五十年、一百年，这很可能成为粒子物理和天体物理学研究的主导方向。

带电粒子会偏转，不像光子不会偏转，知道它是从哪个星系来的，这就是以前为什么大家不去看带电粒子的道理。一是没有条件，二是不知道它从哪里来的。所以，如何从这些高能量的带电粒子中看出名堂，要有经验的积累，要不断学习；而你不去看，就不知道；去看了，才能发现新的东西。丁先生带领我们走出了这第一步；后面的人，可能比我们有更多的发现。尽管科学发展的进程中，走第一步总是会遇到有人反对的。

反物质没有完全湮灭

现在的理论为了解释反物质的缺失，认为在宇宙诞生的最初一秒钟之内，反物质和正物质就彼此发生了湮灭，由于正物质略多于反物质，于是少量正物质幸存了下来，组成了我们这个物质世界。按照这个假说，能够幸存下来的正物质，应该非常少，而大部分在与反物质的湮灭反应中，变成了光。那么，宇宙中光子与物质的比率，光子应该高出许多；但是天文观测的事实，证明这个比率并没有想象的那么大，可见反物质并没有完全湮灭。那么，这些反物质究竟到何处去了？

最近，CERN宣布捕获了存在时间长达16分钟的反氢原子，而这些反氢原子的光谱，与氢原子的光谱是完全一样的。这就让人想象：假如宇宙中有反星球，那么它发出光的光谱，与其正物质的星球是完全一样的。你怎么能知道，目前我们从光谱中知道的一颗遥远的星球是正物质星球，还是反物质星球？

寻找暗物质要有新思路

暗物质是这么一回事：宇宙中的物质，比我们目前了解的物质要多得多，可见有新的物质。这种新物质有重力，但没有其它三种作用力，即强作用力、弱作用力和电磁作用力。这是一种新的物质，而且是一种很稳定的物质。如果发现，可能有新的基本粒子，而且粒子很重，可能还有新的作用力存在，与目前所知物质的作用力不同，可能是第五种作用力，但这种作用力非常弱。在许多天文观测中，已经证明有这种物质。譬如光子通过一个星系，会产生偏转，但这种偏转，有的要比我们原先推测的大很多。目前，大家都在找暗物质的粒子。但加速器受到能量的局限，所以要到太空去找，要有新的思路。

今后，探测器也可能会放到卫星上，卫星可以调整方向，可以对准某个有超高能量辐射的星体或区域。超导磁体也可以不用液氦，而用太阳能冷却。这是今后的发展方向。甚至可以把探测器放到月球上。中国正在发展登月技术，现在就可以培养这方面的人才，希望将来能在这方面有所作为。

丁肇中接受专访

丁肇中主持科学家们的工作例会。

作为一名华裔科学家，丁肇中始终关注着中国科学的发展。获得诺贝尔物理学奖的第二年夏天，丁肇中带着妻子和女儿一起来华，邓小平接见了他。当邓小平知道他的父亲丁观海先生很思念大陆后，立即让有关部门安排，设法让丁老先生从台湾转道东京到北京，参加了国庆观礼，并与分离了数十年的亲人相聚。

丁肇中与中国国家领导人有着很好的关系。他说，邓小平对物理学很有兴趣，又是四川人，而丁肇中在重庆住过，所以他们一见面就讲四川话，有很多共同语言。江泽民、胡锦涛都在瑞士参观过丁肇中的实验室，了解AMS研究项目的情况。温家宝在担任副总理期间，还曾来丁肇中家作过客。宋健、朱光亚、路甬祥、陈佳洱、张存浩、严东生等科学家，丁肇中都比较熟悉。

丁肇中对中国高能物理的发展一直十分关心。自1975年起，丁肇中每年都要来中国，到各个大学和科研机构讲学和开展学术交流。

1977年，邓小平在接见丁肇中时说，中国发展高能物理急需培养一批实验人才，希望派中国科学家参加丁肇中的实验组。自1978年后，一批批的中国物理学家和研究生到丁肇中领导的实验组工作和学习。这也是当时中国首次参与国际大型科学合作。北京正负电子对撞机建成后，在对撞机上做物理实验的科技人员，大多数都在丁肇中领导的实验组工作和学习过。丁肇中希望中国能为基础科学研究作出更大的贡献。他将基础科学与应用研究的关系，比喻为一座金字塔，塔底部是基础研究，应用研究依托于这个底部，不断向上延伸和生长。由于新的应用不断扩大，金字塔的高度在不断增高，底部则向微观和宏观这两个方向不断拓展。在微观层次，从原子、原子核到基本粒子、夸克，由此产生了半导体、激光、超导、核能、核医学等一系列的应用领域。而在大尺度的宏观层次，随着人类的视野由行星、恒星、银河系向更广阔的宇宙伸展，一系列过去无法预料的应用领域也随之而生，如气象卫星、通信卫星、精确定时、卫星导航等。AMS对宇宙射线的探测，在微观和宏观两个方向上都处于金字塔底部的最外沿。尽管这类最前沿的基础研究，会因为远离现在的日常生活而受到人们的诘难和质疑。但没有任何理由可以断定，今后这座科学金字塔不会继续拓宽和长高。

丁肇中说，我们常听到这样的争议：是支持无用的基础科学，还是将资源集中于技术的转化和应用研究？从历史的观点看，后一种观点是目光短浅的。如果没有对基础研究和教育方面的投入，发展经济的实用主义途径是不可能持久的。从发现一个科学新现象到这一科学成果的应用，大约需要二十年至三十年时间。对政治家和企业家来说，这一时间显得过于漫长了。他们更愿意在自己的任期内看到科学研究带来的效益，但基础性研究常常会让他们感到失望。尤其当研究工作深入到未知领域时，科学家很难做出短期的预言和展望，很难保证某一项研究一定会获得成功。实际上，在科学研究领域，错误常常是成功的一个组成部分。因此，对于基础研究，需要给予充分的自由空间和长期的守望。需要有一批痴情于科学的人，长年累月、坚持不渝、皓首穷经，才能不断地有所突破和发现。

许多人认为，如果一个国家想要在技术和经济方面具有竞争力，必须集中于能立即有市场效益的实用型技术的发展。然而，如果一个社会将自己局限于技术转化，那么经过一段时间后，当基础研究不能发现新的知识和新的现象后，也就没有什么可以转化的了。为此，丁肇中说，他始终记着1977年8月邓小平对他说的话：对科技工作要想得远一些，看得宽一些。

丁肇中说，目前世界遭遇金融危机，但无论是在美国或欧洲，对基础性研究的支持者，仍不在少数。人们认为：越是遇到危机，越需要借助科学的力量。他说：“中国的领导人，都很重视科学技术，对AMS项目也表示了浓厚的兴趣。中国有多所大学和科研机构参与了AMS项目，并做出了重大贡献。现在中国的经济发展迅速，经济实力大为提高，与我当年离开大陆时已不可同日而语。我1948年离开上海时，到处是难民，民不聊生；而今天中国已能成为科学大国，这是很不容易的。希望中国能对基础研究有更多的投入和支持。”

中国多所大学和科研机构参与AMS项目——小木屋里的年轻

在AMS实验楼旁，一幢不起眼的小木屋里，有几位中国年轻人。他们是AMS项目组的小人物，却来自中国几座最优秀的大学；他们如今虽只是默默无闻的科研配角，却耳濡目染着科学大师的魅力和风采，将成长为明日中国的科学栋梁。

直接领略大师的个人魅力和工作精神

今年八月的日内瓦特别热。中午，山东大学的几个小伙子在宿舍里自己煮着饭，热得干脆光了膀子。年轻的王坤和田富中都是博士，来这里才几个月。已是讲师的罗峰，则“资深”多了。他说，自己在2004年就参加这个项目，来到CERN时，孩子刚满月，现在已两岁了。虽然常惦念家里，但能代表学校在这里工作，身感责任重大。

山东大学负责AMS热系统的研究与设计。打个比方，就是为AMS量身订做一套既能御寒又能降温的特殊衣服。AMS在太空环境下，每九十分钟内，温度大起大落,忽而零下40摄氏度，忽而零上60摄氏度；而各个探测器及电子设备的温度变化必须保持在1摄氏度范围内。这个热系统要兼备散热和保温两重功能，其研制的水平及质量直接决定着AMS的工作状态、运行寿命及实验可靠性。山东大学与麻省理工、苏黎世高工及美国航空航天局(NASA)的科学家一起，对AMS在各个季节的温度、运行方式，以及空间站的方位，做了全部的热模型和热模拟，提出了不同结构形式的散热元件，在保证系统的高效散热以及温度场均匀性和稳定性要求下，设计了AMS在国际空间站环境下运行的热控制系统。整体设计通过了美国航空航天局的严格评估与实验。AMS-02升空后，山东大学热科学研究中心主任程林教授获得了美国航空航天局的特别嘉奖。

罗峰说：“能参加这项世界级的科学合作，是一个很好的学习机会；尤其是能与大师一起工作，直接体会到他的个人魅力和工作精神，对于我们是非常难得的。在这里可以专心致志地做自己该做的事，不受杂事干扰，这种工作氛围，是搞好科研的重要条件。山东大学热科学研究中心先后有30多个人来这里工作过，学校很重视这种参与国际科研合作的经历，将这作为人才培养的重要途径。”

太空技术也能惠泽大地

丁肇中多次向我提到，中山大学为AMS研制出世界最先进的两相冷却系统。原来，AMS-02的各个子探测器中，有一个重要的核心探测器——硅微条探测器，它位处中心，四周由真空包围，而真空是不传热的，那么其产生的热量如何才能发散呢？这个难题由中山大学承担了。“我们利用导热性能好的材料，把每层硅微条的热量散到周围，再通过铅管中二氧化碳的相位变化，把热量扩散出去，严格控制温度。”中山大学的一位年轻博士小吴告诉我说，去年AMS探测器在荷兰测试时，其控温稳定性达0.04度/小时，比允许值高了近两个数量级，丁教授对此给予高度评价：“你们应该对此感到自豪。”现在，它在太空中的温度变化，也都在1度之内，达到了非常理想的效果。

据介绍，这种二氧化碳二相回路热控制系统还能应用于其他领域，具有广泛的社会效益。它既可以运用于航空航天领域，如登月、飞船等；同时能惠泽民用设施，诸如机房节能、电子元件的冷却等。目前，二氧化碳两相热控系统已列入国家“十二五”规划。

年轻的博士说：“这段经历使我们培养了自信、积累了经验，同时也锻炼和发挥了能力。正如我们许校长指出的，学习和积累了丰富的大型国际合作项目研发和管理经验，锻炼和培养了承担国际最高水平研究项目的整体能力。”

生活艰苦 精神充实

欧洲核子中心集中了全世界3000名科学家在此工作，导致了住宿的紧张。据说周边的农宅都成了科学家的宿舍。东南大学两位都姓熊的年轻人，就住在附近的法国人家里，自行车车程半个小时。这段距离，白天算不了什么，但值夜班回家时，在没有路灯和自行车专用道的公路上骑行，就有点悬了。法国公路上常有飚车者，连丁肇中都替这些骑车族捏着一把汗。大熊想买辆二手车，车都看中了，但涉及手续繁难，计划落了空；小熊另辟蹊径，在靠近CERN的一家旅馆找到了床位，但要与中山大学的小吴合用一个单间，房间里只有一张床，个子较瘦的小熊干脆在沙发上安了铺。

小熊是个上海女婿，小夫妻俩在浦东金桥置了房。虽说工作不同城，但从南京到上海毕竟方便。如今，这位“沙发客”要在这儿工作一至两年，我问他能行吗？他爽朗地说：“行。这儿虽说生活艰苦，但精神充实。”东南大学为AMS承担了数据处理的重任。宇宙射线的数据通过美国NASA的KU波段传回地面中心，中转后传到瑞士日内瓦欧洲核子研究中心，随后传到东南大学的AMS-02数据处理与分析中心，并通过云计算平台，为世界各国物理学家提供了数据共享和协同工作的环境，对AMS-02实验科研价值的充分体现具有举足轻重的作用。

骄阳下的小木屋，室内十分闷热，但这并不影响这些年轻人专心致志地在电脑上工作。小熊说，这里条件虽艰苦些，但科研环境非常好，譬如说资料打印，只要工作需要，打印再多都不受限制。参与AMS研究项目近10年来，东南大学培养了一大批从事空间探测的高水平科研人员，自己虽是小字辈，但也承担了重任。小伙子自豪地说：“能参加这样大型的国际合作项目，是人生幸事。在这里随时可以与各国的科学家交流，学习他们的宝贵经验，一年胜读几年书。”他告诉我，通过AMS-02海量数据处理，能够有效提高我国在海量数据存储、大规模并行计算、面向海量数据处理的科学计算环境等领域的研究水平，对形成自主知识产权，提升国际竞争力，具有现实的意义和广阔的应用前景。