探秘宇宙“无字书”
真理不在蒙满灰尘的权威著作中,而是在宇宙、自然界这部伟大的无字书中。
——伽利略
1942年,丁肇中和父亲丁观海、母亲王隽英及弟弟、妹妹合影。
过去五十年中,丁肇中做过五六个实验,开始都受到了反对,包括AMS实验。他说,物理学的进步,就是推翻所有人已知的东西而发展的。
五百多年前,没有伽利略的天文望远镜,人们不知道地球外面的世界是什么样的。直到一百年前,还有人认为地球是宇宙的中心;一百年后,人类对地球、对宇宙的认识,有了长足进步,再过五十年、一百年,人类的认识又将达到什么样的程度?七十五岁的丁肇中还在探索。而所有的科学研究,为的是人类的明天。
没有亲身体验,是理解不了科学研究的枯燥与辛劳的。任何一项成果和发现,都是对科学家的意志和耐心的巨大考验。
丁肇中曾把当年发现新夸克的实验,形象地比喻为在一百亿颗雨滴中,寻找一颗彩色雨滴。而今天寻找宇宙的反物质粒子,发现率或许更低于百亿分子之一。难能可贵的是,一个大科学家,在十七年的艰辛探索中,始终保持着一丝不苟的工作精神和科学探索的兴趣。正如他所说,“过程确实是艰辛的、枯燥的,但结果是令人兴奋的。”
面对浩瀚的宇空,这位"当代伽利略"正在继续探索着自然的真理。
时隔八年,我再次来到世界物理学家的“圣地”——欧洲核子研究中心(CERN)。满目苍翠的树林和田野在八月的阳光下显得分外谧静,使人很难想象世界上最强大的粒子加速器正在我们的脚下运转。两年前,当新建的大型强子对撞机(LHC)即将投入运行前,一个关于“人造黑洞”的传言,曾引起全球的恐慌;其实,这里什么也没有发生,周围的一切仍是那么安宁。只是近两个月,一辆辆载着参观者的大巴似乎打破了这里的宁静,目标是一幢新建的二层楼房——AMS实验楼。这里有一个中央控制室,就像航天中心的控制室一样,可以看到国际空间站的运行、彼此的对话和联系,几十位科学家昼夜值班,收集来自宇宙射线的密集数据。于是,不必进入幽深的地下、无需再冒核辐射的风险,人们在这里可以探知关于高能粒子和宇宙起源的奥秘。好一座“太空版的CERN”!而它的掌门人和灵魂,就是诺贝尔奖获得者丁肇中教授。
丁肇中的办公室在二楼,隔着玻璃窗可以俯视楼下的中央控制室。这个办公室同时也是会议室,特别设计的会议桌把他的办公桌包涵在内,室、桌都可两用,典型的“丁氏风格”:简约。我说:“丁教授,比起您原来的办公室,这里现代化多了。”他苦恼地摇了下头:“你看,这些遥控器该按哪个键,我老是忘,只好打电话请人来帮忙。”为了帮我把材料和照片复制到U盘上,他眼睛贴近了电脑显示屏,颇费力地一个一个查找。真是难为这位七十五岁的老人了。然而,一谈起AMS,他的自信和思维的敏捷、缜密,不逊当年的风采。
我遇到的反对,多极了!多极了!
我说:“八年前我采访您时,正是哥伦比亚航天飞机出事不久,我曾问,这会不会影响AMS-02的发射升空?当时您很自信地说:‘对AMS的计划没有影响。’然而,后来计划不仅被推迟了,还一度被美国航空航天局(NASA)取消。当时,您有没有失去信心?”
“我从来没有失去信心。我相信一定会发射的,我仍然做自己该做的事。不能因为考虑到有这个人反对、那个人反对,就顾虑重重,无所适从。”丁肇中坚定地回答道。
其实,这期间丁肇中承受了巨大的压力。NASA不仅在2004年宣布取消AMS-02的发射计划,还放话说:政府已决定发展载人上火星的计划,所有的科学家都支持,只有一个科学家不支持。曾有记者问丁肇中,NASA说的这个人是谁?“这个人就是我。”丁肇中毫不含糊地说,一股山东汉子的倔脾气。
这七吨重的AMS-02,凝聚了世界十六个国家、地区的六十所大学、研究所共六百多位科学家、工程师的智慧和心血。所有的仪器和技术,都是世界上前所未有的:它们必须能在太空经受各种极端条件的考验,长期运行而不发生任何故障。这对可靠性提出了极其苛刻的要求。譬如,AMS-02上有六百五十个微处理器、三十万个电子感应元件,它们能否无故障地在太空工作十至二十年?国际空间站每九十分钟要经历一次昼夜变化,导致温度在零下40摄氏度和零上60摄氏度之间波动,但探测器的工作温度必须稳定在1摄氏度的变化范围内,这就对热控制系统提出了极高的要求。
这样的仪器现在能做出来吗?很多人不相信。反对的还有理论物理学家。他们认为,宇宙中的反物质是不可能存在的,AMS的实验没有意义。然而,丁肇中是一个认准了目标决不回头的人。他说:“研究物理,就是要不怕别人的反对,甚至所有的人都反对。我第一个实验,是1964年开始做的,测量电子的半径。当时,哈佛大学和康奈尔大学的著名教授,用了几年时间,做了两个实验,认为电子是有半径的。但根据波动理论,电子是没有半径的。那么,电子究竟有没有半径?我认为这事情很重要,就提出报告要求做这个实验。当时,我刚拿到博士学位,只是哥伦比亚大学的一个年轻教师,没有经验,所以没有人相信我能做出这样的实验,我所在的学校也不支持我,认为你从来没有做过,怎么能做这种高难度的实验?刚好德国有一个实验室欢迎我去,我就辞职到了德国。八个月后,实验做出来了,证明了电子是没有体积的。”
丁肇中感慨地说:“我遇到的反对,多极了!多极了!过去五十年中,我做过五六个实验,开始都受到了反对,包括AMS实验。但是,做实验物理,就不能考虑别人的看法,不能因为绝大多数人反对,你就不做。物理学的进步,就是推翻所有人已知的东西而发展的。你写一个报告,审查的人依据的是现有观点;而你要进步,就必须推翻现有的观念。于是,有很多好的东西,就在评审中被否定掉了。所以,做基础研究要对自己有信心,做你认为正确的事,不要因为大多数人反对而改变,甚至不能考虑自己的前途,要有义无反顾的精神。当然,现在反对我已经不太容易了。因为我从来没有做过错误的实验,大家都认为这个人的工作记录很好。政府也很支持我。即使有人反对做这么大的实验,已很困难了。”
NASA决定取消AMS计划后,支持这个项目的美国能源部找来世界上最一流的科学家,对AMS项目进行再评审。这样的评审一共进行过三次。这第三次评审是在2006年9月25日,地点在华盛顿,参加评审的有获得过诺贝尔奖的,有美国科学院院士,有最优秀的天文学家,共七八个人。评审结果认为:AMS-02的实验,可以进一步给人类带来新的知识。这个研究项目有一支非常强的国际团队,有很好的实验基础,又有很好的记录。这个项目应该继续进行下去。根据这一评审结果,能源部立即写信给NASA:根据最新的专家评审意见,我们认为应继续支持AMS-02实验。
2008年1月,美国参、众两院通过了一项6063号决议,为AMS-02增加一次航天飞机的发射。这项决议在两院是高票通过的,因此时任总统布什立即签署了这项决议。但航空航天局的主管仍一直拖延着不动;直到2008年11月,奥巴马当选为美国新一届总统,航空航天局局长也换了人。2009年1月23日,奥巴马政府上任后的第三天,美国NASA就宣布了运送AMS的航天飞机的班期。尽管以后由于天气的原因,班期推迟了6~7个月,但NASA这么快就能做出安排,说明下面工作部门也是理解和支持AMS-02项目的,实际上早就做好了准备。
丁肇中感慨地说:“科学的发展是必然的,谁也没有办法禁锢人类的智慧。五百多年前,没有伽利略的天文望远镜,人们不知道地球外面的世界是什么样的。直到一百年前,还有人认为地球是宇宙的中心;一百年后的今天,我们对地球、对宇宙的认识,有了如此进步,那么再过五十年、一百年,不知道我们人类的认识能达到什么样的程度?科学研究,为的是人类的明天。我希望那时的人们,能记得我们今天的探索。”
这么多年了,我只做一件事
当NASA于2009年1月宣布了航天飞机的班期后,整个项目组用超常规的速度,抓紧把仪器做完,到3月份已一切准备就绪,计划5月从荷兰的欧洲航天研究和技术中心运至美国肯尼迪航天中心。此时,一件事情的突然发生,又改变了原定的计划。原来,3月18日美国航空航天局宣布:国际空间站的工作年限,将从2015年延长到2028年。而AMS-02原来是依照在空间站工作到2015年设计的,现在空间站的工作年限一下增加了十三年,这就为AMS-02提供了能够工作更长时间的机会,若从2009年算起,能在空间站待上二十年。AMS-02的其它组件,在使用寿命上都留有很大的余量,继续工作十几年应该没有问题,只是其核心部件——超导磁体,没法工作到2028年,因为保持超导所需低温的液氦会损耗,只有三至五年的工作寿命。届时,又无法再上天为它注入液氦。这样,在以后的十多年间,AMS-02将失去磁性,探测器无法工作,成为国际空间站上的一块废铁。这怎么办?
丁肇中当即决定,将超导磁铁换为永磁铁,以延长AMS-02的工作寿命。AMS-01使用的就是永磁体,它是由中国科学院电工研究所制造的,使用效果很好。他决定把AMS-01上的这块永磁铁,装在AMS-02上继续使用。
这个决定自然引起了一阵波澜。一是时间已非常紧张,好不容易排上的航天飞机发射班期,又将推迟;更重要的是,已组装好的AMS-02还得施行“换心术”,这么大的“手术”,能否保证“术”后的“健康”?丁肇中是一个下了决心就再不会动摇的人。他力排众议,认为不管有没有困难,都要这样做。否则,三五年后AMS-02就没有用了,放在空间站岂不成了浪费。尤其三五年中收集的数据,与二十年收集的数据,将完全不一样。他的想法,最后得到了各方面的支持。考虑到永磁体的磁场强度比超导磁铁小,就再增加两层探测器,由原来的七层探测器,变成了九层探测器,以提高工作效率。经过反复论证,丁肇中于4月16日最后拍板,并定下时间表,要求到2010年7初改装完成。
整整大半年,在CERN的一个车间里,科学家和工程师们玩起了“连轴转”。无论是周末休假还是圣诞新年,都没有断过人影。丁肇中身先士卒,似乎回到了当年在布鲁克海文实验室不分昼夜工作的情景。他说,当时的“最高纪录”是连续六个昼夜没有睡觉。
2010年8月26日,美国空军的大型运输机C5降落在日内瓦国际机场。这是在日内瓦机场降落的最大型飞机,机场方面非常重视,降落后滑行时,为了避免机翼碰撞到跑道旁的物体,特地允许一位副驾驶员打开机舱,站立起来观察。一个小时后AMS-02被装上了机舱,飞机随即起飞,于当天安全抵达肯尼迪航天中心,降落在航天飞机降落所用的跑道上。
今年5月,AMS-02终于装入航天飞机。临发射前,丁肇中对大家说:“你们所有的人都离开,让我单独留在这里,我要一个人静静地想一想。”就这样,他独自坐在机舱内,将AMS-02的各个子系统、所有部件,再仔细地在脑海中过了一遍,思索还可能有什么问题。AMS-02在日内瓦组装时,他就曾要求组装好后再拆分开,然后重新组装,这样反复了三次。当时这样做有两个目的,一是再仔细地检查一遍,有没有地方会出错;二是想估算一下装上航天飞机、临近发射前,如果发现什么地方有问题,那么拆开后再重新装好,需要多少时间?所以,对AMS-02的整个系统结构和所有构件,他都稔熟于胸,清晰地印在脑海中。此时,整整四个小时,丁肇中就一直在机舱中坐着,面对着这台即将登上太空的探测仪,对每个细微之处都在脑中再仔细扫描了一遍。
这种“过电影”式的沉思,是丁肇中多年养成的一种习惯。尽管AMS-02项目涉及到多个学科领域的技术,知识非常新,要求又很高,但他对每一项技术都非常熟悉,对每一个细节都了如指掌,能及时地发现任何问题。我曾问他是如何做到这一点的?丁肇中说:“因为我不做别的事情,只做一件事。我空下来就在想,想实验的每一细节,反复想,想得很具体,一旦发现问题,就会立即打电话,给德国、意大利,或别的国家的科学家,与他们讨论,有时请他们过来。”他还说:“我基本不看文件,也很少看书,一有空就是想自己的实验。书都是别人写的,讲的是别人已有的知识,而我们做的完全是新的,是别人的知识所没有的,只有靠自己。这么多年了,我脑中想的,就只有这一件事。”
从航天飞机机舱出来后,丁肇中站在有五层楼高的发射塔上,环绕着航天飞机,最后又走了一圈。他边走,边审视着眼前的一切,思考着还可能有什么问题被忽视。因为这时候如果发现问题,他还来得及做出决定,暂时取消发射。他说:“这是国会通过的一个项目,一旦出错,负责任的,只有一个人,即是我。我必须慎之又慎。”进入发射指挥大厅后,他被安排坐在指挥席上。旁边的两位,一位是美国航空航天局的代表,一位是肯尼迪航天基地的指挥员。发射倒计时开始前的最后一秒,他们再次让丁肇中决定,是否要启动发射键。丁肇中点了一下头,说:“好,发射吧。”于是,5月15日8时56分,随着火焰的喷射而出,奋进号终于踏上了它的最后一次征程。