“寻找宇宙的基本结构”报告会
——丁肇中·2002年5月31日·东南大学

·丁肇中先生简介
·丁肇中先生精彩瞬间

        丁肇中教授入场，报告会马上开始！

        中国工程院院士、东南大学校长顾冠群致辞 详细内容

        丁肇中教授开始演讲。

        演讲内容：

    今天早上，东南大学校庆完了后，南昌小学的校长来见我，我以前在南昌小学念过书，我特别感激他们没把我的成绩单带来。我向大家介绍的就是我现在正在做的物理实验，在此之前，我先要说一下东南大学在20世纪出了几个特别有名的物理学家，包括吴健雄等人。大家都知道，自然科学，天文、物理是实验科学，再好的理论没有实验证明是没有用的，实验可以证明推翻理论，理论是没法推翻实验的。

    我今天所说的就是寻找宇宙中的最基本结构。这个研究已经有好千年的历史，几千年以前，大家都认为大气、土、水、火是最基本的元素，到了十六世纪，又增加了硫、盐、水银等。

▲丁教授结合图片进行精彩的演讲

    为了研究宇宙最基本结构，大家用了加速器，世界上最早的加速器现在还存在，它的造价也不高，现在是正负电子对撞机。
加速器的基本原理都是非常简单的 用1000亿电子伏特正电子和1000亿电子伏特负电子对撞，产生很高的温度。科学家可以用正负电子对撞来模拟宇宙在初始的第一千亿亿分之一秒时的情况。

    宇宙是由类电子组成，有夸克、电子、μ子等，这是宇宙中最基本的。知道这个后 ，你可以问到底有多少种电子？ 电子有多大？ 电子能不能分成更小的粒子？ 有多少种夸克？夸克有多大？ 夸克能不能分成更小的粒子？

    这是我们将做完的L3试验， 里面有线圈、探测器等。

    L3组实验结果

    1、只有三种不同电子；
    2、电子是没有体积的，电子半径小于十的负十七次方厘米；
    3、夸克也是没有体积的，夸克半径小于十的负十七次方厘米。

    电子的半径是零。

    下面介绍另外一个实验，就是国际空间站实验。最初开始由俄罗斯做的，国际空间站的总重量420吨。等到2004年，空间站将有一个实验，将由我们跟东南大学一起完成，大概需要3到5年时间。

    什么是反物质？反物质的存在，是由保尔·狄拉克在理论上推导出的，他注意到，相对论的公式，质量都是乘平方的，也就是说等于m×m，也等于－m×－m，狄拉克问－m是什么意思，从这儿就推导反物质的理论。他在1933年12月12日获得了诺贝尔奖，这也表示拿诺贝尔奖是很容易的！

    1936年，有人用探测器探测到反物质的存在。反物质的“反”字，不仅代表电荷相反，很多性能也相反。物质和反物质一碰就会产生能量，经过加速器实验，所有的粒子都有反粒子。因为现在我们从实验上知道，所有的粒子有反粒子。我所要问的是另一个问题，大家都知道，宇宙是大爆炸形成的，大爆炸的理论中，宇宙起源时的温度高，因为大爆炸以前什么都没有，所以有一个电子则应该有一个反电子，有一个夸克也应该有一个反夸克，所以在刚爆炸的时候，物质和反物质应该是一样多。问题是经过150亿年之后由反物质组成的宇宙在什么地方。我们知道宇宙在有He、有τ的太空中飘行，有没有反物质所组成的宇宙也产生反He和反τ。所以我们从实验上需要知道的是由反物质组成的宇宙在何处。假设它存在的话，我们应该在太空中找到反He反Ti原子。反He、反τ原子不能在地面上找到，因为在穿过大气的时候，它们会被湮灭掉。因为原子和反原子有相反的电荷，所以寻找反原子必须用磁铁来测量在磁场上的轨道，正的向一个方向偏转，负的向另一个方向偏转，这就是我现在所做的实验的目标，即AMS，它是空间站上唯一的物理实验。

    我们需要一个磁铁，来测量在磁场上的轨道。 另一个问题是， 90%的宇宙是观察不到的， 它是由暗物质组成的， 暗物质是什么？ 我们有一个AMS的实验。它包括芬兰、 丹麦、 德国、 墨西哥、 台湾的中山科技院、 中央大学等。AMS是首次在太空上使用粒子加速器的实验。

    我们非常希望这个试验由中国大陆的大学和我们合作，理由有四点：

    一、由多所大学建造的， 包括美国的麻省理工（MIT）和耶鲁大学、 瑞士的苏黎世高工（ETH）和日内瓦大学意大利的罗马佩鲁贾和比萨大学、 俄罗斯的莫斯科大学 德国的亚琛大学。

    二、多年来，诺贝尔奖获得者大都来自大学。

    三、大学具有学科综合优势和充分的学术自由，在研究中能发挥大的作用。

    四、我对东南大学有多年的认识。东大有好的年轻教师；许多教师有兴趣、有决心参加这次研究，我相信他们会为东大达到AMS的世界一流大学的水准，做出更重要的贡献。

    过去40年，美、俄做了很多实验，但就是没有把磁铁带上空间站。美国宇航局阿尔法磁谱仪（AMS-01）为航天飞机上的运行提供了一个在太空中真实状况下测试探测器的机会。AMS第一次飞行：STS—91，1998年6月2—12日，为期10天。设计原理和最后飞行是一样的，就是：动量=质量×速度。

    第一个试验用的是永久磁铁，我们开始做了10个磁铁，七个用于了解和测量下列参数：1、磁场的计算 2、磁场的泄漏 3、转矩

    同时我们做了三个全尺寸的磁铁，第一个用来做空间鉴定试验；第二个是飞行用磁铁；第三个是用于破坏性试验。

    介绍实验结果：

    赤道上方400公里处有一个环绕地球的质子环， 其中质子的能量高达60亿电子伏特， 这些质子是怎么来的呢？ 这些质子主要是带电的离子打到大气层里， 主要来源于西北方。

    实验成功后，NASA计划在2005年7月再次将AMS发射升空， AMS将作为第一个安装在空间站上的科学实验。 原结构中由中国制造的永久磁铁将用超导磁铁代替，将大幅提高AMS探测能力。

    什么叫超导现象?超导在零下270摄氏度时，电子对运动无摩擦。

    AMS-01和AMS-02具有相同的磁铁结构：1、同样的内径；2、二极磁矩等于零。

    AMS-02的磁铁将是第一个在空间的超导磁铁，没有先前的实验。

    振荡试验：模拟航天飞机上天的情况，做完后放在加速器里。

    AMS—02硅微调探测器：硅微调分为八层， 共有三十万道数据需要读出， 其精度为10微米。

    环像CERENKOV计数器，原理是一个带电粒子经过辐射器产生光，光的角度和速度成正比。

    还有两个RICH探测器已经建设中。

    最后一个仪器是量能器。

    最困难的除了磁铁就是电子仪器了， 介绍一下MIT和台湾研制的电子仪器，比通用空间电子系统快大约10倍。

摄影：张凯