2017年7月12日

丁肇中為了在外太空偵測反物質, 排除萬難執行跨國科學計畫

作者/林宮玄,任職於中研院物理所,兼任本刊副總編輯。
作者/文詠萱,本刊主編。





丁肇中教授是1976 年諾貝爾物理獎得主,一位非常專注於研究的科學家,任職於美國麻省理工學院(MIT)。《科學月刊》在訪問丁院士前,除了聆聽2016 年7 月3 日丁在臺灣大學的演講,也讀過網路上可得到的英文公開資料(參考文末延伸閱讀),希望藉由這次訪談,更深入了解丁肇中院士不凡的經歷與他主持的科學計劃最新結果。特別感謝中研院物理所李世昌院士在2016 年7 月7 日中研院院士會議結束後,協助安排短暫訪談。

丁院士曾在臺灣就讀成功大學機械系一年級,後來前往美國密西根安娜堡大學(University of Michigan, Ann Arbor),從機械系一年級讀起。當時老師認為他在傳統機械製圖上比較沒有天份,因此建議他改唸物理及數學。丁於1959 年於密西根安娜堡大學拿到物理、數學雙學士,並於1962 年於同一學校拿到博士學位。



《 科學月刊》(簡稱科):大學以後,您是如何進入高能物理或粒子物理領域的?

丁肇中(簡稱丁):我進入密西根大學,1962 年拿到物理博士學位。拿博士學位以前,本來想做理論物理,後來我的指導老師叫Uhlenbeck,他跟我說:「做理論物理還是比較困難,想想看上一世紀對理論物理有貢獻的人多不多?」我聽了這個話以後,就覺得應該做實驗。實驗物理裡面,那時正好有兩位老師,一位叫Perl,一位叫Jones。4 月的時候,我就參加Perl與Jones 他們團隊,到了Berkeley(美國加州柏克萊)作粒子物理實驗。在那之前,我沒有去過加州。

喬治·烏倫貝克(George E. Uhlenbeck,1900 ~1988),理論物理學家,發現電子自旋而著名。丁院士在密西根安娜堡大學的博士論文,由Perl 與Jones
共同指導。馬丁·佩爾(Martin L. Perl,1927~2014),因為發現陶子(Tauon)與研究輕子(Lepton)而獲諾貝爾物理獎。1925 年出生的勞倫斯· 瓊斯(Lawrence W. Jones),目前是密西根安娜堡大學物理系榮譽教授。

科:物理有粒子物理或凝態物理不同領域。您當時如何決定研究粒子物理?

丁:我大學三年級的時候,做過一點Shock wave(衝擊波)。當時我的老師叫Otto Laporte,他是個很有名的物理學家,原子物理中宇稱守恆、Laporteselection rule(電子躍遷的選擇律)就是從他來的。後來,我覺得那個沒有興趣。一個主要的原因是 Laporte 是德國人,德國的傳統,學生都要7、8年才能拿到博士學位。太久了,我就沒有繼續跟他工作。

奧托·拉波特(Otto Laporte, 1902~1971),在量子力學、電磁波傳播理論、光譜學及流體力學領域有重要貢獻。

丁院士拿到博士學位、工作小有成就後,獲得相當多大學的邀約。大部分的大學提供丁終身職(tenured)的教授職缺,唯獨美國麻省理工學院(MIT) 例外。當時丁對於「tenured」沒概念,只跟MIT 提出一個條件,就願意接受MIT 非終身職的職缺。1969年丁到MIT 任教後,有次MIT 開「終身職教授會議」,丁卻沒有被邀請,他才了解到有沒有終身職的差異。與系主任反應後,丁不久即獲得終身職。

科:您曾經跟MIT 物理系主任說,必需答應您一個條件,才願意到MIT任教。當時您提的條件是什麼?

丁:Harvard Square(美國哈佛大學附近的廣場)附近有一個 Cambridge electron accelerator( 劍橋電子加速器),那是哈佛跟 MIT 一起建的加速器。他們的加速器測量出,電子是有半徑的。我到德國的加速器測量到的電子是沒有半徑的。我發現德國有很好的技術師,很好的工程師,所以我跟MIT 系主任說,你不要限制我只能用劍橋電子加速器做實驗。

1966 年,劍橋電子加速器發表的實驗結果與「量子電動力學」理論不吻合。同年,丁與德國加速器的團隊,決定重覆劍橋電子加速器團隊的實驗。1967 年,丁發表該團隊的實驗結果,仍然符合「量子電動力學」的理論。丁因為這個實驗,在粒子物理界受到矚目, 他的實驗能力也因此受到高度肯定。


在1990 年代,美國計劃建大型加速器(Superconducting Super Collider)做粒子對撞實驗,但在1994 年,美國總統柯林頓因為政治因素,停止這項計劃。當時58 歲的丁肇中院士思考,他整個生涯都在做粒子對撞實驗,是不是要開始做他一無所知的研究?他想著這個歷經140 億年的宇宙,想著宇宙起源的大霹靂,同時產生了物質與反物質(不嚴謹解釋:電荷相反但其他物理性質相同的物質,稱反物質)。然而現今的宇宙,為何物質比反物質多非常多呢?從宇宙中往地表飛來的反物質會在途中與大氣中的物質作用而湮滅,在地球表面是偵測不到的。想要偵測宇宙來的反物質,一定要上太空,丁於是有了在太空偵測反物質的構想。

同年,丁找上美國航太總署(NASA)署長,兩人從早上9點聊到半夜12點。當時署長對這項提議非常感興趣,問了非常多技術細節。最後對丁表示:

一、你沒有在太空實驗的經驗。
二、我們沒有經費。他建議先說服美國能源部支持這項計劃。丁當時建議美國當局,在美國的諾貝爾獎得主、國家科學院士中挑人選來審核這個計劃。

1996 年,丁的阿爾法磁譜儀(Alpha Magnetic Spectrometer, AMS)計劃,順利獲得美國及其他國家的共同支持,命名為AMS-1。不過,在太空中
的探測器加磁場是相當困難的技術。他們在1998 年將儀器裝在太空梭裡,繞行地球12 天,證明可行性。接下來的AMS-2 計劃,必需把儀器放上太空
站。但是2003 年2 月哥倫比亞號太空梭爆炸、7 名太空人全數罹難,影響到此計劃。眼看計劃就要中止,丁在爆炸事件一個月後,受邀到美國國會討論美國未來的科學,順利說服國會議員讓AMS-2 計劃延續。2011 年5 月將儀器成功升空並安裝到太空站後,AMS-2 的偵測器至今仍不斷產生實驗數據,目前預計運轉到2024 年。

科:AMS 計劃審查的科學家。當時您有建議,審查計劃的人選嗎?

丁:我有提過不要找三流科學家,要找一流科學家。三流科學家審查計劃時,會想到經費給這個計劃以後,我的計劃經費會變少,怎麼辦?一流科學家只會針對計劃內容,想著這個科學計劃是否對未來很重要。所以我只是推薦要找一流科學家來審查。只要是一流科學家,不管是贊成或反對我的,都可以。

科:當時您受邀到美國參議院,討論美國未來的科學時,您只有5 分鐘。您是怎麼只利用5 分鐘,將AMS 這個對一般人而言很難懂的科學計劃,讓總統及國會議員了解呢?

丁:當時每個人是只有10 分鐘。不管你是國家元首,還是社會人士,都只有10 分鐘。就好像大家坐下來,蔡英文坐你對面,可是她也只有10分鐘。我一開始的確不知道怎麼準備,後來我太太給我一個建議,要求參議院在兩旁擺了大大的螢幕,我當時就用 PowerPoint 準備演講,20 張投影片,就簡單講一講,這實驗是怎麼回事、怎麼進行。

科:2011年5月,實驗器材升空之前,您提到您把其他人請出去,獨自一人思考了4 小時,而且很害怕,手是冷的,我覺得這段經歷很有意思。我其實有兩個問題想了解,第一個,為什麼害怕。第二個,……。

丁:問題一個一個來。為什麼害怕?

(停頓)過去儀器曾在1998 年6 月2 日隨著發現號太空梭升空。升空以後,我忽然想到,已經走了,沒辦法再去看了。我以前沒有這個觀念,它在上面的時候,我非常擔心。所以第二次要升空前,我一直在那裡不斷的想,有沒有哪裡有問題。

科:這個計劃非常的大,您當時也花了4 個小時來思考,代表您對於儀器技術細節都很清楚。您為什麼可以在這麼大的計劃中,還能了解每一部分的細節?

丁:因為我不做別的事!我在MIT,是極少數,可能是唯一不教書的教授。什麼委員會,很多的會,我都不參加,因為我沒有那個時間。

科:所以在這個3、4 百人的16 國計劃中,您會去了解到每個人的工作嗎?

丁:應該說重要的,我會去了解到細節。

科:您在臺大的演講中,有提到太空站只到2024 年。請問這個太空站是為了AMS 計劃設的嗎?

丁:不是!

科:這個太空站計劃耗資1000 億美金……。

丁:太空站的耗資金額是美國政府說的。我們儀器的計劃經費少多了。

科:根據我的了解,儀器送上去以後,是靠太陽能電池來運作,不需額外能源。後續的經費,應該會少非常多,不是嗎?

丁:後續維持需要30 億美金。主要是有6 個太空人要在太空站裡面工作,經常需要送6 個人上去交換,下面還有好幾千人來控制太空站。

所謂1000 億美金指的是建造太空站及發射的經費,30 億美金是太空站的運轉經費。發射火箭將太空人送到太空站,換不同人在太空站裡面工作所需要的經費,仍然不少。丁所主持的AMS-2 計劃經費並沒有那麼多。......【更多內容請閱讀科學月刊第571期】


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