阿爾法磁潛儀(AMS)由STS－134飛往國際空間站時帶人運行軌道，雖然聽起來像是另一個儀器，但實際與國際空間站的關系密不可分。這項研究由美國能源部發(fā)起，16個國家出資，由諾貝爾得主丁肇中教授領導，全球600多位物理學家將能分享這臺粒子物理學探測儀產生的數(shù)據(jù)。
美國航空航天局的AMS項目經(jīng)理特倫特·馬丁說：“這種合作目前在空間科學界開始變得更為常見，但AMS是截止到目前建造空間科技探測儀出資最為多樣化的，美國航空航天局希望國際空間站、國家實驗室會鼓勵在空間科學界的這種多方合作模式?！?/p>
阿爾法磁譜儀
尋找反物質、黑暗物質和宇宙射線在宇宙中的傳播奧秘，這些僅僅是整個故事當中很小的一部分。為了充分理解科學的發(fā)展方向，就得考察科學發(fā)展的歷史。對于AMS項目來說，它的實施也是這樣。美國航空航天局與AMS的努力開始于1994年，當時美國航空航天局在得克薩斯州休斯敦的約翰遜太空中心進行了一項可行性研究，探討這樣一個脆弱的儀器是否能夠在太空飛行而且獲得有用數(shù)據(jù)。
美國航空航天局的AMS項目副經(jīng)理理肯·波爾維格提到，面對危險的太空環(huán)境必須克服許多困難，他說：“這些類型的實驗所使用的探測器，其最典型的使用環(huán)境是在地表以下，那里的溫度從冬到夏變化不會超過2℃，而且?guī)r礦千年不動。”
對于AMS項目所涉及的硬件的研究，自1995年項同正式批準后就已認真開始了。美國航空航天局與AMS項日達成的初步共識之一，就是質量、體積和動力方面必須有所限制，比如說，AMS合作項目考慮的輕量化永久磁鐵大約為2噸，地面類似的電磁鐵重約10000噸。
美國航空航天局和AMS項同組共同努力，計劃推出二個版本的AMS以達到規(guī)定的質量要求。第一種版本的獨特支撐結構USS－01于1997年完成，并于1998年6月由STS－91發(fā)射，攜帶4172千克的AMS工程評估版本。STS－91的任務順利完成，因為考慮到空間站到2001年才能準備好接待AMS，所以科學家決定做一些改進。AMS計劃越來越復雜，包括升級為更強大的低溫超導超流態(tài)氦冷磁：這些變化把AMS的重量增至6918千克，因此又必須試驗稱為USS－02的第二種版本的支撐結構。
另一個重要共識是確定如何將數(shù)據(jù)從AMS傳回地面，為此研制了數(shù)碼數(shù)據(jù)錄制系統(tǒng)，執(zhí)行STS－91使命時用它來為AMS合作項目捕獲數(shù)槲。這是AMS總體目標的一次初步嘗試，但得到的數(shù)據(jù)使得測量的敏感度得到了提高。
工程師們持續(xù)研究程序和驗證要求，并進入試驗階段，一干就是好幾年。2001年12月，美國航空航天局用STS－108發(fā)射了一臺原型同步加速器輔射探測儀，這次飛行試驗驗證了AMS探測儀的性能。AMS復雜性的升格也意味著數(shù)據(jù)通道從近70000個增至300000個。為了解決這個問題，美國航空航天局研制了一個新型數(shù)碼數(shù)據(jù)錄制系統(tǒng)，于2011年2月用STS－133發(fā)射升空。這為AMS隨STS－134的發(fā)射做好了準備。
在宣布國際空間站將持續(xù)運行至2020年以后，AMS合作項目將現(xiàn)有的低溫磁更換為永久磁，其壽命無限。整個AMS被拆開，更換了磁鐵，然后安裝完備并進行了試驗。從概念到實施只花了7個月時間，延長了AMS運行的可能期限。
馬丁贊揚美國航空航天局員工和承包商做出的努力，稱贊他們?yōu)锳MS項目的順利實施做出的重大貢獻。這些人中的一部分將繼續(xù)支持AMS環(huán)軌運行和收集數(shù)據(jù)。
AMS將是目前太空在軌飛行器中最先進的探測儀，它會增進我們對反物質和暗物質的整體認識，為物理學家提供一種強有力的工具。隨著科學家尋求宇宙起源的答案，該調查也將促進現(xiàn)代物理學科的成長。
暗物質與暗能量
幾年前，美國航空航天局發(fā)表了最新的微波宇宙全圖，初步分析顯示宇宙的年齡為137億年，誤差為1％。第一代的恒星在大爆炸后2億年開始發(fā)光。
宇宙在“嬰兒期”的時候，光子和物質結合在一起，滿宇宙一片黑暗。一直到了宇宙大爆炸之后約30萬年，宇宙開始降溫，光子擺脫物質的束縛發(fā)散出來，宇宙各處的星球開始發(fā)光。隨著宇宙的膨脹，這其中的一部分光子轉變?yōu)槲⒉?，現(xiàn)在我們接收的宇宙微波背景輻射是在大爆炸后38萬年發(fā)射出來的。天文學家測量這些宇宙微波后繪出宇宙微波背景圖，之所以被稱為“背景圖”，是因為我們觀察者不論往哪一方向看，皆可偵察到微波的存在。
上面是一張最新的微波宇宙全圖，是美國航空航天局的科學家查爾斯·本勒特領導的研究小組與普林斯頓大學科學家大衛(wèi)·斯佩格爾共同整理出來的，全部資料來自微波各向異性探測衛(wèi)星的最新發(fā)現(xiàn)。微波各向異性探測衛(wèi)星于2001年6月進入太空，它的運行軌道距離地球約160萬千米，主要用于觀察宇宙微波背景輻射。其實，美國最早于1989年就發(fā)射了探測宇宙微波的衛(wèi)星，這個衛(wèi)星被叫做“宇宙背景輻射探測衛(wèi)星”。由于技術方面的原因，當時這個衛(wèi)星繪制的微波宇宙只是一張草圖，精度確實不夠高。因此，美國從1996年開始研制微波各向異性探測衛(wèi)星，與宇宙背景輻射探測衛(wèi)星相比，微波各向異性探測衛(wèi)星有著十分顯著的優(yōu)點，技術上有了巨大的突破。
微波各向異性探測衛(wèi)星觀察了形成于大爆炸后38萬年的宇宙微波背景輻射情況。根據(jù)科學家的推算，宇宙微波背景輻射目前的平均溫度僅有2.73K(絕對溫度)，并且在天空各方向存在一些特別微小的變化(只有平均值的十萬分之一)，一般認為今日復雜的宇宙結構可能起源于這些微小的溫度起伏，這些數(shù)據(jù)不僅可以提高科學家精確估計恒星形成的時間，更將幫助科學家了解宇宙的特性，并證實了宇宙大爆炸理論。
宇宙微波背景輻射不但可以測定宇宙的年齡，還可以測定宇宙的形狀。進一步的探測結果證實，宇宙像銀河系一樣是扁平的，而且一直在不斷地膨脹，“嬰兒期”宇宙的大小只有現(xiàn)代宇宙的千分之一。另外，一些科學家根據(jù)探測結果分析，宇宙是有限的，像一個大圓盤一樣?？茖W家通過微波宇宙圖了解到宇宙中原子占4％，暗物質比例為23％，剩下的73％全部是暗能量。
暗物質
天文學理論認為：宇宙中除了存在常見的各種發(fā)光的星體外，還存在著一種既不發(fā)光，又不與光發(fā)生作用，卻具有萬有引力的物質，即暗物質。暗物質在宇宙中占23％，它們像膠一樣，維系在星系之間，保持著宇宙物質間的秩序。由于這些暗物質不發(fā)光，很難讓人感受到它的存在，直到20世紀30年代，科學家才從測量星系重量中發(fā)現(xiàn)，原來星系間竟隱藏著這樣一種暗物質，占了很大分量。但是關于暗物質的一切，人們都知之甚少。事實上，科學家早發(fā)現(xiàn)星系的質量似乎比所有恒星、氣體和塵埃的可見質量要大得多，那么，肯定還有某種物質尚未被發(fā)現(xiàn)，這些物質又究竟是什么?暗物質由于它不發(fā)光(包括可見光、無線電波、微波、X射線和γ射線等)，所以人們就無法利用光來觀測它。暗物質是由什么組成的?它有什么性質?它在宇宙演化中的作用如何?它和現(xiàn)在已知的各種天體的關系又如何?對此，人們還知之甚少。目前人們搜索暗物質的目標是尋找超對稱粒子，若能夠成功，其意義不亞于發(fā)現(xiàn)反物質。
2006年2月6日，英國《獨立報》報道，英國天文學家經(jīng)過3年的觀察和研究發(fā)現(xiàn)，宇宙的暗物質其實有很多“有悖常理”的特點，這其中最難以理解的特點就是它竟然是“熱”的。因為此前科學家都認為暗物質是冰冷的，是一些死亡、遲鈍的宇宙“礦泥”，但是此次研究發(fā)現(xiàn)，暗物質其實也有溫度，它的溫度甚至比太陽表面的溫度還高。來年英國劍橋的科學家假設，如果暗物質是由氫原子組成的，那么它的溫度就可能達到10000℃，它會放出很耀眼的光芒。但是實際上，盡管暗物質有那么高的溫度，卻放不出光來。對于這一點，科學家感到很費解。
暗能量
暗能量的概念最早是由愛因斯坦提出來的，但后來愛因斯坦把這個概念說成是他科學生涯中的大錯誤，因為它破壞了廣義相對論的優(yōu)美性。從那以后，暗能量成了科學家爭論的話題。
現(xiàn)在，科學家明確了宇宙組成物質的比例是：4％是原子，也就是形成各星球上的物質；23％為不知名的黑色物質，即暗物質；73％為一種神秘的黑色能量，也就是暗能量。科學家一般認為，暗能量不是物質，而更接近能量。根據(jù)計算，常規(guī)物質和看不見的暗物質加起來并不足以構成整個宇宙。剩余成分就是暗能量。而且，最新證據(jù)，這種暗能量可能占宇宙總能量的2／3，它正在把宇宙中的星系及星系中的一切以史無前例的速度相互分離。
暗能量是如何被發(fā)現(xiàn)的呢?科學家主要是通過觀測類星體后獲得的。類星體體積相對較小而能量巨大。質量巨大的類星體會導致經(jīng)過它們附近的光線等發(fā)生彎曲，使成像產生扭曲和變形，這一原理與光學透鏡類似，因而被稱為“引力透鏡”效應。科學家借助設立在英國和美國的一些大型射電望遠鏡，共對數(shù)千個遙遠類星體進行了觀測，結果驚異地發(fā)現(xiàn)平均每700個類星體中就有一個受到“引力透鏡”的影響，其射電信號會發(fā)生彎曲，最終出現(xiàn)二個以上的“虛像”?？茖W家于是認為，這也許只有暗能量才能解釋。負責這一研究的英國曼徹斯特大學的伊恩·布朗教授說：“宇宙由暗物質所統(tǒng)治，這想法太奇怪了，值得大家去仔細研究驗證?！?/p>
至于，為什么我們感受不到暗能量，科學家給出了這樣的解釋：在任何一個給定的空間里，暗能量的量很小，因此它的作用在日常生活中不能被感覺出。但在廣漠的宇宙空間中，其效果將非常強大，足以使星系和星系簇分離開。暗能量能使宇宙抵抗著引力而擴大，是推進宇宙膨脹的神秘力量。
最近的科學觀測發(fā)現(xiàn)，宇宙正處于一種加速的膨脹中，所有遙遠的星系都在飄離我們而去，并且飄離的速度越來越快!那么是什么樣的力量使宇宙在不可遏制地膨脹?研究表明，這就是澎湃在宇宙所有角落的神秘暗能量。
宇宙被暗能量所控制，而我們卻看不到它?？茖W家的說法是：我們一般人通常把星系之間沒有物質的真空地帶想象成“什么也沒有”，但是，在理想狀態(tài)下，如果我們從星際空間中把其中存在的稀少的物質粒子全部移走，然后將所有穿過這個區(qū)域的輻射也全部屏蔽出去，再把這個區(qū)域徹底冷卻到絕對零度，這樣得到的空洞空間仍然會有某種殘余的能量，這就是暗能量。
因此，有些科學家把暗能量稱為“真空能”。暗能量可能提供了宇宙四種基本力(引力、電磁力、強力、弱力)之外的一種新的基本力——排斥力。
目前，關于暗能量的來源主要有二種理論：
第一種觀點認為，暗能量類似愛因斯坦“宇宙常數(shù)”所假設的，是一種從真空中彌漫出來的能量，不會隨時間改變，強度固定。
第二種觀點認為，暗能量與一種變化的動態(tài)能量相關，能量導致目前宇宙加速膨脹。
但大多數(shù)科學家主張第一種觀點，因為人們發(fā)現(xiàn)暗能量有一個奇怪的特性，就是空間無論怎樣擴張，其密度總是恒定不變，而不會隨著空間的擴大而稀薄?？臻g每擴大一點，真空中的暗能量也就隨之增加一點，空間擴大的地方，就是暗能量產生的地方。與之相比，宇宙空間的物質總量卻是基本恒定的，當空間不斷擴大，物質的密度就會不斷下降，物質在宇宙中越來越稀薄。很明顯可以看出，隨著宇宙空間的擴張，暗能量在宇宙中所占的比例將會越來越大。它所產生的宇宙斥力也越來越強大，很快就超過宇宙中的萬有引力，使宇宙的膨脹速度不斷加快，直到最后失控，結果把星系、恒星、行星、原子等一一撕裂，形成一場宇宙大崩裂!最后，時間也將終止。
之后還會發(fā)生什么?宇宙會再循環(huán)聚合嗎?一切都不再可知。
反物質世界
眾所周知，我們居住的世界，一切可見的東西，包括宇宙天體都是由原子、分子等微觀粒子所構成，科學家稱它們?yōu)檎镔|?，F(xiàn)代科學實驗已經(jīng)證明，世界上除了正物質外還有與其性質完全相反的反物質。
1928年，英國物理學家狄拉克通過實驗，從理論上證明世界上存在帶正電荷的正電子；1932年，美國物理學家卡爾·安德生通過對宇宙射線間相互作用的過程中，發(fā)現(xiàn)并證實了正電子的存在；1955年，美國科學家塞格雷和張伯倫在加利福尼亞大學利用質子同步照射器，射出了高能質子，再用這高能質子轟擊銅靶，產生了帶負電的反質子，1956年又發(fā)現(xiàn)了磁極極性與普通中子相反的反中子，以后又發(fā)現(xiàn)以順時針方向自旋的反中微子；20世紀60年代前后，科學家又相繼發(fā)現(xiàn)一系列反超子；1979年，美國科學家在35 000米高空捕捉到28個反質子，稍后，又在外層空間發(fā)現(xiàn)反物質流；在此后進行的一系列實驗中，發(fā)現(xiàn)除了光子等少數(shù)粒子的反粒子是其本身外，所有粒子都有反粒子；最近幾年人們合成了第一個反原7--反氫原子。但對于能構成反物質的其他各類反原子、反分子都還一無所獲，產生這些困難的原因在于人們發(fā)現(xiàn)的反粒子都是從宇宙射線中獲得的，而宇宙射線要到達地球首先要穿過厚達3000千米－4000千米的大氣層，射線中的絕大部分反粒子在到達地球前都已經(jīng)與大氣層中的粒子中和了，因而人們所能探測到的反粒子就微乎其微了。而且反粒子都很不穩(wěn)定，很容易和周圍物質粒子發(fā)生湮滅。所以，科學家認為，在我們所處的這個物質世界中是不可能存在反物質的，即使存在也會很快和周圍物質相中和，但在宇宙空間深處可能存在一個與正物質世界完全相反的反物質世界。
科學家計算出某種類星體爆炸產生的能量，遠遠超過核爆炸能量的倍數(shù)，這說明宇宙中有一種能量超過核能，它會是什么呢?最有可能是反物質與正物質之間的一種特殊過程。另外，科學家認為宇宙中的奇異速度，同樣與反物質有關?？赡艿那樾问钦镔|突然走進反物質，但反物質又不與正物質完全吻合，所以正物質并不化為烏有。由于反物質的時間、空間和能量均為零，所以我們觀測到的天文速度就超過了光速。根據(jù)愛因斯坦質能方程，物質減少的質量將會轉化為能量?，F(xiàn)在我們廣泛應用的核反應正是利用了這一點，但核反應不能使質能完全轉化，而正物質與反物質相中和，因其放出的是零質量的γ光子，所以其質量將會完全轉化為能量。
如果我們承認宇宙中存在反物質，承認宇宙中許多事物都具有對稱性，那么有沒有一個反物質世界與物質世界相對應而存在呢?如果真像宇宙大爆炸理論所描述的那樣，在宇宙形成之初產生了等量的物質和反物質，應該有一個反物質世界，否則，反物質到哪里去了?關鍵是如何分辨哪些天體是由反物質組成的?哪些天體又是由普通物質組成的?在我們居住的宇宙小小角落里，還從來沒有人探測到過反星球、反星系。
直接觀測反星體十分困難，因為原子和反原子所輻射出的都為光子，這樣，即使你看到一個反星球，可是其外貌跟一般星球并無二致。一個間接的辦法是觀測湮滅γ輻射，因為反粒子和正常粒子一旦相碰湮滅，會化成一陣γ射線暴。若我們近旁(例如銀河系內)有反物質存在，由于星球會發(fā)生爆炸，其包藏物質被拽人星際空間，成為周圍星球相互交換的物質，這樣，物質和反物質勢必不時發(fā)生碰撞，而產生湮滅信號。事實上，天文界一直未觀測到這種信號。丁肇中博士認為，反物質可能統(tǒng)治著本星系群外的某些空域，它們是如此遙遠，以致其特征性湮滅信號十分暗弱，難分真?zhèn)?。丁肇中博士說：“宇宙包藏著約10億個星系團，要排放任何反星系是不可能的?！?/p>
“反宇宙”里有反物質嗎?
編者：反宇宙和反物質存在嗎?在國外相關機構對普通民眾的調查中，約有53％的受訪者持肯定意見，47％的受訪者認為不存在所謂的反宇宙或反物質，支持者和反對者可謂旗鼓相當。以下刊出的是國外一個著名科普論壇上網(wǎng)友的討論摘要，討論者網(wǎng)名無特別意義，故未做翻譯。
AveryBailey：反物質存在于它自己的“宇宙”還是少量地存在于我們的宇宙?
svhprum：如果存在多重宇宙，它們之間就不會有什么交流，所以這個問題就得不到答案，沒有跡象表明在我們的宇宙有“反物質島”存在。
Peppercorn：能否排除永遠得不到答案的可能呢?
Granpa：形成我們宇宙的物質怎么會與形成反宇宙的反物質分離!
Maffsolo：這個題目我聽過不止一次。
Bills：“形成我們宇宙的物質怎么會與形成反宇宙的反物質分離!”分離似乎不可能是個問題，假如它們曾在一起，肯定會相互湮滅。
Syhprum：“形成我們宇宙的物質怎么會與形成反宇宙的反物質分離!”當然，誰要是相信反物質等于反引力，回答這個問題就很容易了。反正我不相信。更正：在我看來，整個宇宙是由物質和反物質構成，正如我前面所說，我相信多重宇宙之間不會有任何交流，電磁輻射與引力子也是如此。
Bills：“我相信多重宇宙之間不會有任何交流”。戴維·德意志(編注：牛津大學教授)完全不同意這一點。例如：在雙縫實驗中，當單個光子穿過設備時，只要沒有觀察每個光子的通過，就會發(fā)現(xiàn)一種干擾模式，隨著時間的推移，會形成一種模式，與通過相同裂縫的連續(xù)光所產生的模式無法區(qū)分。戴維堅持認為干擾來自其他宇宙的(影)光子，我不大同意這一點，但戴維這個人就是這樣，很能說服。
Farsight：證據(jù)還是不充分。自從1985年以來，他一直都在倡導多重宇宙的觀點，這已經(jīng)25年了，仍然沒有證據(jù)支持。
Bills：“證據(jù)還是不充分。自從1985年以來，他一直都在倡導多重宇宙的觀點，這已經(jīng)25年了，仍然沒有證據(jù)支持?！蹦闶钦f多重宇宙不可信?天哪!!下一步你就要懷疑弦理論了。難道在你心目中就沒有神圣的東西?當然，嚴肅地說，有沒有無限的宇宙里面包含著我們的宇宙，我們是無法看到的，或許因為我們的世界受四維時空的限制?
Vereava：反物質是物質反粒子概念的延伸。例如，正電子被看做電子的反粒子，光子與電子碰撞，產生所謂的湮滅。我曾經(jīng)做過一張圖表，這張圖表上光子在時間上倒退，暗示它們與電子碰撞，但據(jù)我個人的理解，正好相反。光子在時間上“后退”(注意它在空間停留在一個點)與電子碰撞，將其送回到過去(從根本上講，它翻個筋斗，像雙縫實驗里那樣移動)。然后正電子與另一個光子碰撞(很有希望!)，導致其回轉，落在一條更為合適的新路徑上。
Bills：我是認為正電子被看做電子的反粒子，我漏掉了什么嗎?
Vereava：“我是認為正電子被看做電子的反粒子”。你說得對。我的圖表里實際上有正電子，這是我的一個關鍵性失誤。當電子在時間上后退時，它帶正電荷(我畫成了帶負電荷)。這是我們的宇宙，我想竭力說明的就是，反物質只是湮滅的一種結果。你仍然能夠看見反物質，哪怕只有幾秒。
百科知識：
聯(lián)系客服
