丁肇中教授:如何在太空中尋找基本元素?

丁肇中教授的演說題為「尋找自然界的基本元素」,重點談到目前唯一在太空長期運作的粒子物理精密磁譜儀。他指出,一個人的能力是有限的,對於他不懂的事情,他都說不知道,因為不懂還裝懂的話,做實驗會出很大問題。

嶺南大學11月2日(周二)舉行校長就職典禮,秦泗釗教授正接任新校長,同時在典禮上向5位對社會有重大貢獻的傑出人士頒授榮譽博士學位。當中,著名美籍華人科學家、1976年諾貝爾物理學獎得主丁肇中教授獲榮譽理學博士,他在大學論壇上發表演說,與學生分享他目前進行中的太空實驗──在太空中尋找「暗物質」和「反物質」。

嶺南大學舉行校長就職典禮,秦泗釗教授正式接任新校長。(嶺南大學圖片)
嶺南大學舉行校長就職典禮,秦泗釗教授正式接任新校長。(嶺南大學圖片)

利用精密磁譜儀收集數據

丁肇中教授的演說題為「尋找自然界的基本元素」("Search for Fundamental Elements of Nature"),重點談到目前唯一在太空長期運作的粒子物理精密磁譜儀。丁肇中教授指出,安裝在國際太空站上的阿爾法磁譜儀(Alpha Magnetic Spectrometer ,AMS),將工作到2030年。

現年87歲的丁肇中教授說,AMS由穿越輻射探測器、飛行時間探測器、矽微條探測器、磁體、電磁能量器、切倫科夫探測器( Cherenkov detector)組成,高5米、長4米、寬3米,重7.5 噸,包括30萬個訊號通路和650個微處理器。

丁教授表示,AMS升級工作將在2027年前完成,主要任務包括實現升級後收集資料的接收度增加到300%、在現有偵測器基礎上增加8平方米半導體偵測器。

他透露,AMS的升級零件將由SpaceX Dragon太空船搭載抵達國際太空站,再由國際太空站機械手臂安裝到AMS上方,過程中兩位太空人將出艙3次、每次6小時,連接AMS所有的電源和訊號通道 。AMS升級零件目前已經進行無重力測試。

諾貝爾物理學獎得主丁肇中教授與嶺大師生分享他的太空實驗。(曾紹樑攝)
諾貝爾物理學獎得主丁肇中教授與嶺大師生分享他的太空實驗。(曾紹樑攝)

研究宇宙射線特性與起源

丁肇中說,AMS 的目標是研究宇宙射線的特性和起源。帶電的宇宙射線有質量,會被地球表面上100 公里厚的大氣層吸收,所以無法在地面上研究帶電宇宙射線的電荷、動量等性質。這就是為什麼必須將AMS放到太空去。宇宙射線進入AMS時,會因為磁鐵的影響而偏轉軌跡,不同的粒子會留下不同的軌跡,因此根據偏轉的軌跡,就可以分辨出是哪一種宇宙射線粒子。在此之前,從來沒有人會把一個超大磁鐵放到太空站上。

那為什麼要把一具超大磁鐵送上太空呢?理由很簡單,他打個比方:「大家都知道指南針的原理。當指南針放在太空站上,一端向北、一端向南,很快就會讓太空站失去控制。」為此,AMS 團隊設計了一個特殊的環形磁鐵,讓磁場不會洩露,「AMS 做過兩次飛行,第一次(AMS-01)是用太空穿機梭送上軌道運行10天,然後回到地面,驗證了這個實驗的可行性。第二次(AMS-02)才送到太空站上」。

丁肇中說。 AMS 也是一個多國參與的國際合作計劃,團隊成員來自世界各地。自 2011 年 5 月升空至今,AMS 在太空中順利地運行。他說:「整個電子系統包括 650 個微處理器 、30 萬個訊號通道,至今已經運作 12年,沒有一個是壞的 。」

1976年獲頒諾貝爾物理學獎時的丁肇中。(資料圖片)
1976年獲頒諾貝爾物理學獎時的丁肇中。(資料圖片)

全年無休24 小時監控

AMS 的訊號經由美國太空總署( NASA )通訊衛星傳遞,由設於歐洲核子研究組織(CERN )的控制中心負責監控,全年無休,每日 24 小時監控。 丁肇中說:「這就表示我們沒有周六、周日,沒有中秋節也沒有過年,每天都要嚴格地監控着。」

由於國際太空站的退役時間由原定的2024年延遲到2030年,AMS-02也將繼續工作到2030年,這也意味着丁肇中教授仍在孜孜不倦為AMS項目繼續努力。

AMS項目已經收集了逾千億個宇宙射線數據,並已整理成大量學術文章,發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)等世界頂尖學術期刊上。

為什麼是花費大量資源設計AMS,來尋找「暗物質」和「反物質」存在的線索呢?丁肇中指出,尋找宇宙的基本物質是基礎研究,基礎研究和應用技術共同構成了一座「金字塔」,新技術不斷出現,金字塔的應用部分也在不斷地增高,同時,基礎研究也在不斷拓展金字塔底部。

丁肇中坦言,有時基礎研究距離日常生活太遠,會受到質疑。但一段時間後,金字塔的應用部分增高了,公眾熟悉了新的現象,基礎研究也就顯得有實際作用了。

丁肇中教授在NASA工作,後面是太空穿梭機。(資料圖片)
丁肇中教授在NASA工作,後面是太空穿梭機。(資料圖片)

科學是「多數服從少數」

丁肇中笑言,科學要「多數服從少數」,只有極少數人把大多數人的觀念推翻以後,(科學)才能向前發展。而且,他「從來不考慮經費,只考慮實驗會不會成功」。

他指出,一個人的能力是有限的,對於他不懂的事情,他都說不知道,因為不懂還裝懂的話,做實驗是會出很大問題的。

同時獲頒榮譽博士學位的還有嶺南大學商學院傑出學者Mahesh Nagarajan博士(榮譽工商管理學博士);法律界名人、嶺南教育機構董事黃志光(榮譽法學博士);著名銀行家王冬勝博士(榮譽工商管理學博士)和著名電影學者David Bordwell教授 (榮譽人文學博士),後兩者未克出席典禮。

阿爾法磁譜儀(AMS-02)位於國際太空站右側紅圈處。(European Space Agency 圖片)
阿爾法磁譜儀(AMS-02)位於國際太空站右側紅圈處。(European Space Agency 圖片)

秦泗釗校長:大學必須必須與時並進

新校長秦泗釗教授在就職典禮上表示,嶺大「在堅守大學核心價值和使命時,必須知所適應及與時並進;在致力培養歸屬感和認同感時,亦要擁抱多元和懂得包容;在維持學術誠信和品質的同時,亦必須追求卓越和創新;在積極提高聲譽和影響力的同時,亦必須平衡本地相關性和全球影響力」。

秦校長表示,會主導嶺大着力建立傳統課程與數碼化融合、做好文理科的融合、加強與大灣區和全球融合,以及與嶺南的過去融合。

黃志光代表各榮譽博士致謝辭時說:「我親身體會到嶺南人努力不懈和無私貢獻的精神,使嶺南書院得以遷到現在這個美麗的校園,並重新獲得嶺南大學的頭銜。」他相信 「只有開拓未來,才能延續嶺南大學的過去」。

秦泗釗校長向丁肇中教授贈送紀念品。(曾紹樑攝)
秦泗釗校長向丁肇中教授贈送紀念品。(曾紹樑攝)

本社編輯部