惊艳世界的阿尔法磁谱仪：有一颗“中国心”，等待了13年

平均每2秒，阿尔法磁谱仪（AMS）会测量1000个宇宙线事件。通过分析这些数据，人类或许可以揭开暗物质和反物质的神秘面纱，知晓宇宙诞生之初的故事。

2011年5月，阿尔法磁谱仪随着美国国家航空航天局的“奋进号”航天飞机进入太空，固定在国际空间站，每90分钟绕地球一周，捕捉宇宙射线中暗物质和反物质的“蛛丝马迹”。这是人类送入宇宙的第一个大型磁谱仪，进行精确粒子物理实验。目前人类所能认知的物质只占宇宙构成的4%，剩余96%则是暗物质和暗能量，仍是物理学中没有解开的谜团。

时隔5年，阿尔法磁谱仪已经累计测量了900亿宇宙线事件。北京时间12月9日，在瑞士日内瓦欧洲核子研究中心，项目主持者丁肇中教授发布了阿尔法磁谱仪的“五年成绩单”。其中令人惊喜的是，AMS观察到了几个反氦3，这一结果震惊了世界，因为它可能是宇宙存在反物质的证据。

“寻找反氦原子核是阿尔法磁谱仪最初的主要科学目标之一，”中国科学院高能物理研究所研究员、中国科学院院士陈和生是首批参与阿尔法磁谱仪项目的科学家，他告诉澎湃新闻（www.thepaper.cn）：“丁肇中先生对科学非常谨慎。反氦3要排除所有其他来源的可能。宇宙线的粒子打击到探测器上，会不会产生反氦3？根据我的了解，这是他们现在还在深入考虑的问题。”

陈和生出自丁肇中门下。1994年，当丁肇中开始有了将磁谱仪放置在太空进行实验的科学创意，陈和生成为最早加入这项科学计划的中国科学家之一。“大型磁体是磁谱仪的核心。把大型的磁体放到宇宙中去一直是科学家的一个梦想。”陈和生说。

在阿尔法磁谱仪之前，漫长的时间里，人类对太空的理解主要基于地面上或者太空中望远镜的观测数据。宇宙射线会被地球大气层吸收而拦截，要想研究宇宙射线，探究反物质和暗物质，需要去太空中观察。宇宙射线是一种带电粒子，需要一个磁铁来让它转弯，辨析原子核是带正电还是负电。电子带的是负电，而它的反粒子则带正电。

而“把磁体送到太空”之所以成为科学家的梦想，是因为这看似是一件不可能完成的任务。曾有科学家在1972年有过类似想法，但知难而退。丁肇中说：“这是我40多年里遇到的难度最大的实验，甚至比当初为我带来诺贝尔奖的发现J粒子的实验还要困难得多。”

打破纪录的“中国制造”，让美国宇航局开了历史先例

解决这一难题的正是中国科学家。

陈和生回忆，漏磁和磁二级矩是横亘在科学家面前的两座大山。

漏磁在磁体上天后会影响航天设备的运行，磁二级矩则是磁体会受到地球磁场的影响而转动，要消耗能量来抵消。多国科学家对此束手无策。魔环结构可以攻克这两大难题，而中国科学院电工研究所恰好在做核磁共振的磁体时积累了经验，可以制造出符合条件的永磁体。

“首先是设计出没有漏磁和磁二级矩的磁体，并在限定的重量范围之内，达到要求的磁场均匀性和强度。”陈和生说，依靠欧洲核子研究中心的计算机系统，用现代高能物理多参数的优化，中科院高能所和中科院电工所一同设计出最终的方案。

但这还只是完成了一半。“它是要上天的，美国宇航局对安全性的要求非常高，何况，这是美国航天飞机第一次搭载中国制造的大型载荷，而且是第一个送入宇宙的大型磁体。如果有任何闪失，毁坏了航天飞机，后果不堪设想，所以有非常严格的评审。”陈和生说。中国运载火箭技术研究院（航天一院）用20多倍重力加速度的冲击实验来模拟离心实验，确保磁体在发射、降落的严苛环境下平安无事。

最终，采用被称为“磁王”的钕铁硼稀土材料，64段磁条沿着环形圆周分布，内径1.1米，外径1.4米，厚0.8米，重2.6吨的磁体建成，精度比美国宇航局要求的高出一个数量级。在此前接受新华社采访时，陈和生难言自豪之情：“从设计到制造，再到测试，整个过程都在中国完成，可以说是百分之百的中国制造。”

验收环节的“打破纪录”在意料之外。美国对航天飞机搭载的载荷要求极其严苛，据丁肇中此前透露，连做螺丝的人，美国宇航局都要问清楚，是谁做的，教育背景是什么样的。一般而言，美国宇航局对送上太空的大型载荷有三轮安全评审，而这次，只有两轮就敲定了。“他们说你们已经回答了所有的问题了，不需要再做第三次了，这是美国宇航局历史上第一次。”

曾搁置13年才得以送上太空

一个科学设想的落地没有耗去太长时间。1994年有了设想，1995年完成初步方案，1997年3月，作为阿尔法磁谱仪的核心部件，制备完成的永磁体从中国运往美国，装有它的集装箱刚好可以放进波音747货机。紧接着，1998年6月，在美国约翰逊航天中心，“发现号”航天飞机搭载着装有“中国心”磁体的“阿尔法磁谱仪1”进入太空。

“阿尔法磁谱仪1”是一次飞行试验，此前从没有精密的高能物理探测器上天。当时，国际空间站尚未建成，“发现号”在太空中飞行了10天后，安全回程，降落在肯尼迪发射中心。

但从“阿尔法磁谱仪1”到“阿尔法磁谱仪2”，中间却相隔了整整13年。因为“哥伦比亚号”航天飞机执行任务时意外爆炸，航天安全问题成为牵绊，原定在2005年将“阿尔法磁谱仪2”送至太空的计划被搁置。

丁肇中没有就此气馁。16个国家、56个研究机构的科研人员参与项目，耗资20亿美元，眼看一切准备就绪，却在最后实施环节被中止。丁肇中一边想替补方法，一边努力说服美国国会。2008年，美国国会通过相关法案，以立法的形式为阿尔法磁谱仪项目“保驾护航”。

这才有了2011年5月的历史性一刻。“奋进号”完成了它退役前最后一次任务，将“阿尔法磁谱仪2”运至太空，开展科学实验。而磁谱仪内部的永磁体依然是13年前中国制造的那座，永磁体经过岁月流逝，性能没有变化。

如今，阿尔法磁谱仪已经“服役”5年，未来只要国际空间站还能运作，它也将继续它的使命。2024年，在国际空间站退役之前，阿尔法磁谱仪会帮助人类“解码”暗物质和反物质吗？又或许，阿尔法磁谱仪会带来意外的科学惊喜？