丁肇中：从１００亿个雨滴中找出一个红雨滴

丁肇中1936年1月生于美国,3个月大时随父母回到中国｡他的外祖父王以成早年追随孙中山,在辛亥革命中牺牲｡母亲王隽英是丁肇中最爱戴的人,1960年病逝于美国,临终前留下遗言:“爱祖国,爱科学,双爱双荣｡”

丁肇中20岁时只身赴美留学,1962年获得物理学博士学位,选定实验物理为主攻方向｡他常说:“中国人的才能､智慧,不在任何国家的人之下｡中国人要对自己的民族､国家充满信心｡”

因发现构成物质的第四种基本粒子——J粒子,丁肇中获得1976年诺贝尔物理学奖｡颁奖仪式上,他特意用一口流利的汉语演讲,使华夏语言第一次在诺贝尔颁奖大厅响起｡

2006年11月20日,诺贝尔奖获得者､世界著名物理学家丁肇中教授应朱邦造大使的邀请,来到中国驻瑞士大使馆,做了一场精彩的讲座｡

记者12年前曾经在日内瓦听过他的讲座,当时他的辅助工具是幻灯机,寥寥数语就把枯燥抽象的物理知识讲述得一清二楚｡12年轮回,如今他改用袖珍电脑,内容更加丰富,画面更加生动,但不变的是他那深入浅出讲故事的能力｡

丁肇中说:“我这几十年做了5个物理实验,得出了5点体会｡”

“实验是自然科学的基础,理论如果没有实验的证明,是没有意义的｡当实验推翻了理论以后,才可能创建新的理论,理论是不可能推翻实验的｡”这位华裔诺贝尔奖得主,以他自己将近半个世纪以来亲身经历的5个物理实验,讲述他对科学创新的理解和人生感悟｡

向世界级专家挑战的实验

第一个实验是测量电子的半径｡1948年,根据量子电动力学,也就是费曼､施温格和朝永振一郎提出的理论,电子是没有体积的｡这个理论被当时所有的实验所证明,他们因此获得诺贝尔奖｡

但到了1964年,哈佛大学和康奈尔大学的著名教授和专家们得出了相反的结论——量子电动力学是错误的,换言之,电子是有体积的!

孰是孰非?因为这关乎物理基本观念,所以28岁的丁肇中决定用不同的方法来测量电子的半径｡那时,他刚刚拿到博士学位,没有任何经验,所以没人相信他能做出这样的实验,也没人支持他｡

1965年,丁肇中决定放弃在美国大学的前途,到德国汉堡去,用新建的加速器做实验｡8个月以后,他的实验证明,量子电动力学是正确的:电子是没有体积的,它的半径小于10-14厘米｡

丁肇中教授说:“我的第一点体会是:不要盲从专家的结论｡因为在我没有做实验以前,都是世界级的专家在做这个实验｡”

从100亿个雨滴中找一个红雨滴

第二个实验是发现新粒子家族｡在1974年以前,物理界认为所有的粒子都是由3种夸克所组成｡丁肇中对此提出疑问:为什么宇宙中只有3种夸克?为了寻找新的夸克,他决定建一个高灵敏度探测器｡70年代初,他设计了一个精确度极高的实验:“相当于在北京下雨时,每秒钟有100亿个雨滴,如果有一个雨滴是红色的,我们就要从这100亿个里找出它来｡”

这个实验不受物理学界欢迎,毕竟大家都相信只有3种夸克,没有人相信如此困难的实验能成功｡

1972年,美国的布鲁凯文实验室终于接受了丁肇中的实验｡这个实验需要10000吨水泥､5吨铀､100吨铅､5吨肥皂｡最困难的是向政府申请5吨肥皂,因为一般人无法理解为什么要用这么多肥皂｡实际上原因很简单:肥皂内含有轻离子,是用来隔离中子对粒子的干扰的｡

两年以后,丁肇中果然发现了一种新的粒子,它具有奇异的特性:它的寿命比已知的粒子长10000倍｡新粒子发现以后,很快同样寿命的类似粒子也相继被发现｡丁教授解释说:“它的重要性类似我们发现一个偏僻的村子里面,所有的人都是百万岁左右,这就表示这个村子里的人和普通人完全不一样｡这种新粒子的发现,证明了宇宙中有新的物质存在,它们是由新的夸克组成的,我们把它命名为J粒子｡”

J粒子的发现,改变了物理学界长期认为世界上只有3种夸克的观念,改变了人类对于物质基本结构的认识｡继J粒子之后,人们又找到了新的粒子,现在我们已经知道,世界上至少存在6种不同的夸克｡

丁教授的第二点体会是:“要对自己有信心,做你认为正确的事,不要因为大多数人的反对而改变｡同时,决策机构要给优秀的年轻人以机会｡”

与邓小平鲜为人知的交情

第三个实验是发现胶子｡什么叫发现胶子?丁教授娓娓道来:“在原子外面是电子,里面是原子核,原子核里面是粒子,粒子里面是夸克｡宇宙中有4种力:引力､电磁力､弱力和强力｡强力是由胶子传输的｡20世纪70年代,我在德国使用300亿电子伏的电子对撞机做实验,原来的目标是继续寻找电子半径,突然注意到,在正电子和电子对撞的时候,产生夸克,出现胶子喷注｡”

1979年9月,美国《纽约时报》头版消息报道了丁肇中发现胶子的消息｡值得关注的是,中国科学院高能物理研究所唐孝威等27名中国科学家参加了这项实验研究｡在有关核粒子的国际合作研究项目史上,这是第一次｡这是中国的一大贡献｡

1977年8月,邓小平建议每年派10位科学家参加丁肇中的工作,从那时起,中国科学家不断参加丁教授的团队,并做出了令世界公认的贡献｡

丁教授曾经多次见到邓小平｡特别值得一提的是,1984年10月,邓小平还特别安排丁教授的父亲从台湾秘密取道日本访问北京｡丁教授回忆道:“每次见到邓小平,我都向他介绍我的工作｡他对物理很有兴趣,问我很多问题｡他们家共有5个人学习物理!在我接触过的国家元首和科学家中,邓小平主席是最特殊的｡”

第三个实验中得出的第三点体会是:做科学研究对意料之外的现象要有充分准备｡

第四个实验造就了300个博士

第四个实验是在欧洲核子中心做的L3实验｡这次用的是一个周长27公里的加速器,1000亿电子伏特正电子与1000亿电子伏特负电子对撞｡它瞬间产生的热量,相当于太阳表面温度的4000亿倍,也是宇宙诞生最初的1000亿分之一秒时的温度｡实验仪器使用的磁铁是10000吨,探测器包括300吨铀,均来自苏联｡

这是首次由美国､苏联､中国､欧洲等19个国家600名科学家共同参加的大型国际合作｡中国政府非常支持L3实验,提供了很大帮助,包括一台非常先进的计算机,同时还在上海硅酸盐工厂生产BGO晶体｡

L3实验共发表了271篇文章,有300人因这一研究工程而获博士学位｡

第四点体会是:主持国际科学合作,要选科学上最重要的题目｡只有这样,才能引起参加国科学家的最大兴趣,才能得到参加国政府长期的优先支持｡

研究反物质挑战太空

第五个实验是国际空间站上的AMS实验｡根据大爆炸的理论,宇宙起源时的温度非常高,物质与反物质的数量应该一样多,因为大爆炸以前是真空｡现在宇宙已经存在了150亿年,反物质在哪里呢?什么叫反物质?

AMS是一种宇宙粒子探测器,实验目的在于探测太空中反物质和暗物质的存在,从而验证宇宙大爆炸及粒子物理的相关理论｡这是人类第一次在太空中使用磁谱仪进行粒子物理研究｡

在获得诺贝尔物理学奖30年后,丁肇中至今仍奋战在国际高能物理实验第一线,领导全球16个国家和地区的500多名科学家､1000多名工程技术人员,争分夺秒加紧阿尔法磁谱仪(AMS)的研制工作｡

这一大胆设想,十多年前由丁肇中提出｡1998年6月2日,AMS-O1号搭载美国“发现号”航天飞机升入太空,完成了10天运行｡丁肇中激动地说:“航天飞行中发现了外太空中许多想象不到的现象｡例如在靠近赤道的地区,正电子的数量为电子的4倍｡”AMS-02号计划于2007年由美国航天飞机送入国际空间站,运行3～5年｡

丁肇中说,他曾经向胡锦涛主席报告过中国参加AMS实验的意义,中国政府对这个项目也有很大兴趣｡在AMS-01号的研制过程中,中国科学家承担了核心部件——永磁体系统的设计和制造｡正在研制中的AMS-02号,则将它的主体永磁铁更换为超导磁铁,中国科学家在继续参与工作｡

近年来,丁肇中几乎每个月都要回中国｡在AMS-02项目中,除中国科学院,东南大学是第一所加盟的中国院校,紧接着上海交通大学也加入进来,去年又新添山东大学､中山大学两所院校｡确保探测器在太空中正常运行的热控制系统,被丁肇中称为“非常重要的部分”,他将这一重任交与中山大学年轻的许宁生团队承担｡丁肇中说:“我选择院校不一定看谁名气大,最重要的是看它对实验是否真有兴趣｡”

第五个体会是:要实现目标,最重要的是要有好奇心,对自己正在做的事情感兴趣｡同时要勤奋工作｡

(慕青荐自《青年参考》)

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