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丁肇中:我经历的四次实验和我的感悟
来源:扬子晚报网 2018-07-17 08:31:32

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  今天我想向大家介绍的是我所经历的现代物理和我的体会。

  实验是自然科学的基础,理论如果没有实验的证明,就没有意义。当实验推翻了理论以后,才可能得到新的理论,而理论是不可能推翻实验的。

  主讲嘉宾

  丁肇中

  诺贝尔物理学奖获得者、美籍华人物理学家。

  1936年1月27日出生于美国密歇根州安阿伯镇,1969年至今任美国麻省理工学院物理学教授。研究领域为试验粒子物理、量子电动力学及光与物质相互作用,因发现“J粒子”获得1976年的诺贝尔物理学奖。

  1994年起领导阿尔法磁谱仪(AMS)实验,在空间寻找反物质和暗物质。1994年当选为中国科学院外籍院士。是美国国家科学院院士(1977),美国艺术和科学院院士(1975),俄罗斯科学院外籍院士和巴基斯坦科学院外籍院士。

  精彩观点

  ●理论如果没有实验的证明,就没有意义。当实验推翻了理论以后,才可能得到新的理论,而理论是不可能推翻实验的。

  ●我做实验的第一个结论是:不要盲从专家的结论。

  ●做基础研究,要对自己有信心,做你认为正确的事情,不要因为大多数人的反对而改变。我做实验已经多于五十年了,每一个实验都受到大量的人反对,可是我“容忍”别人错误的判断。

  ●要是不去做实验,你永远不知道事实是怎么回事。

  我的第一个实验

  证明电子是没有体积的

  过去四百年,我们对物质结构的基本了解,大都来自于实验物理。现在对物质结构的基本了解是:原子的外层是电子,里面是原子核。原子核里面是粒子,粒子里面是夸克,把夸克“绑”在一起的是胶子。这是我们描绘的宇宙物质结构的最基本图像。

  我1956年进入密歇根大学,1962年拿到博士学位。拿到博士学位以后,我很快就决定自己做实验。第一个实验就是证明电子是没有体积的,它的半径小于10∧-14厘米。我1965年的实验测量了电子半径。

  在1948年,根据量子电动力学(QED),由Richard Feynman,Julian Schwinger和朝永振一郎提出了一个理论:电子是没有体积的。这个理论被当时所有的实验所证实,因此他们获得了诺贝尔奖。但是到了1964年,哈佛大学和康奈尔大学很多很有名的教授,或多年专门从事这种实验的专家们,用了多年的时间做了两个不同的实验,得到了相反的结论,说量子电动力学是错误的,电子是有体积的,它的半径不是小于而是等于10∧-13~14厘米。

  因为这是关于物理基本观念的实验,所以我决定用不同的方法来测量。那个时候我刚刚拿到博士学位,没有任何经验,所以没有人相信我能够做出这样的实验,更没有人支持。在1965年,我决定放弃在美国大学的前途,到德国新建的加速器(DESY)用不同的方法重复了这个实验。用的加速器周长是320米,当电极转过磁铁的时候,就会发射75亿电子伏的光,光打在电子上(使其加速)。八个月以后,我的实验证明,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,小于不是等于。

  我做实验的第一个结论是:不要盲从专家的结论。我之前什么实验也没做过,这是我的第一个实验。另外两个队伍都是有名的科学家,结果都是错的。

  我的第二个实验

  从100亿个粒子中找一个新粒子

  第二个实验就是发现新粒子的实验,是于1970年到1974年在美国的长岛(布鲁克海文)国家实验室完成的。

  1970年,物理学家都认为,粒子是由三种夸克所组成的。质子:紫色的u,红色的u和蓝色的d;K+介子:紫色的u,粉色的s bar。我的问题是,为什么只有三种夸克?为了寻找新的夸克,我决定建造一个高灵敏度的探测器。

  实验要求的精确度是极高的,相当于下雨的时候每秒钟有100亿个雨滴,其中有1个雨滴是不同的颜色,是红色或者紫色的,我们要从这100亿个雨滴中,在一秒内把它找出来。因而这个的精确度就是一百亿分之一。

  这个实验不受世界上所有物理学家的欢迎,理论物理学家都相信只有三种夸克。原因很简单,因为三种夸克已经可以解释所有当时已知的物理现象;而实验物理学家认为,没有人能做出这样困难的实验。所以,这个实验几乎被世界上所有的实验室所拒绝。1970年,美国布鲁克海文国家实验室接受了我的实验。

  为了能从100亿个已知粒子中找到一个新粒子,这个实验必须每秒钟输入100亿个高能量的质子到探测器上。这么多的质子输入探测器所产生的放射线会彻底破坏探测器,对工作人员也是非常危险的。因此,必须发展全新的、非常精确的,在非常强的放射线下,能正常工作的全部仪器,也必须设计安全的屏蔽系统。

  新发展的粒子探测器,以前是没人做过的,以前也没人想到仪器能在这么强的放射性下工作。到了1974年,实验发现了新的粒子,它有一个奇异的现象,就是寿命比一致的粒子长一万倍。在这种新粒子发现以后,很快同样寿命的其他新粒子也被发现了。这就表示宇宙中有新的物质存在,它一定是新的夸克粒子,我们把它命名为J粒子。

  没有人会想到有这种现象,所以当时物理界的人说,这是物理界的“十一月革命”。J粒子的发现改变了人们对于基本物质的认识。

  我做实验的第二点体会是:做基础研究,要对自己有信心,做你认为正确的事情,不要因为大多数人的反对而改变。我做实验已经多于五十年了,每一个实验都受到大量的人反对,可是我“容忍”别人错误的判断。

  我的第三个实验

  发现胶子,27名中国科学家参加了实验

  第三个实验是1979年发现胶子。原子外面是电子,元素按照电子排布就变成周期表。原子里面有原子核,原子核里面有粒子,粒子里面有夸克,把夸克“绑”在一起的是胶子。

  宇宙中有三种力:一种是引力。引力波从1942年开始探测,现在才发现,去年拿到了诺贝尔奖;电弱力是由光、Z0、W±子传输的;强力,是在夸克中间的力,是由胶子传输的。

  在七十年代,世界上最大的加速器,是在德国汉堡名为PETRA的300亿电子伏特对撞机,这是我的实验。实验目的是继续找电子的半径。我一直很奇怪,为什么我们天天用电,却永远也找不到电子的半径。

  那个时候,中国正进行“文化大革命”,可那个时候我天天在实验室中,并不知道这个是什么,1975年回中国以后才知道“文革”。1977年8月17日回到中国,邓小平建议每年派十个科学家参加我的工作。从那个时候起,中国科学家参加我们团队,做出了世界公认的贡献,到现在为止,有超过了一千多位科学家来到了我的实验室。在中国的科学家确实跟我工作都很好,所不幸的是,一有成绩以后,就升官了。升官呢,用我的话说,就是“误入歧途”了。

  怎么样使胶子发现?当有一个能量很高的正电子和负电子碰撞的时候,能量就变成质量,质量可以产生成夸克。夸克出来以后,就变成一个喷柱;然后有反夸克,也放出一个喷柱。假使有胶子存在,就会有另外一个能量。胶子能量很低的时候有两个喷柱,随着胶子的能量增高,会有三个喷柱。发现相应的现象就意味着除了夸克以外,还有胶子。

  胶子的发现是非常重要的。1979年9月2日,美国《纽约时报》头版用整篇的消息介绍了这个实验。中间有一段说:27名中国科学家参加了主要的实验。在有关核粒子的国际合作研究史上,这是第一次,也是中国的一个重要的贡献。当年的人民日报也报道了关于胶子的发现。

  所以做实验的第三个体会:对意外的现象要有充分的准备。因为我开始做实验的时候根本没想到会发现胶子。

  我的第四个实验

  1000亿电子伏对撞温度是太阳表面温度4000亿倍

  第四个实验花了20年,在欧洲核子中心的L3实验,就是用周长27公里的政府电子对撞机完成的,用1000亿电子伏的正电子和1000亿电子伏的电子对撞。至于对撞的温度,大家可以想到,1000亿电子伏的电子对撞,产生的光是很亮的。日光灯管是220伏,1000亿电子伏对撞时的温度是太阳表面温度的4000亿倍,是宇宙诞生最初的1000亿亿分之一秒时的温度,也就相当于在实验室里制造宇宙刚开始时的温度。

  要找什么呢?要找宇宙中最基本的粒子。在宇宙中有几种不同的电子?电子到底有没有体积?电子能不能分成更小的东西?你要是问理论物理学家,他们会告诉你,这些都知道了,想这些是没有意义的。人们之前认为宇宙中只有三种夸克,第四个夸克被我发现以后,现在第五种第六种都已经找到了。发现了第四种,就意味着原来的观念是错误的。到底有多少种夸克?夸克有多大?理论物理学家觉得,这些问题他们已经都知道了。可要是不去做实验,你永远不知道事实是怎么回事。

  L3实验是首次由美国、 苏联(前)、中国、欧洲等19个国家的600名科学家,共同参加的大型国际合作。中国的主要贡献是由上海(中科院)硅酸盐所生产的BGO晶体,BGO晶体是透明的,其比重和钢相同。当时世界年产量只有4公斤,可是我需要12吨。这个问题被上海科学院(中科院硅盐酸所)解决了。

  这个实验20年发表了300篇文章,有300个人获得博士学位。《科学美国人》用杂志封面介绍了我的实验。实验的结果可以用三句话总结一下:一、宇宙中只有三种不同的电子。二、电子是没有体积的。三、夸克也是没有体积的,夸克的半径也小于10∧-17厘米。

  我的第四点体会:组织一个大型的国际合作,最重要的是要选科学上最重要的题目,引起参加国科学家最大的兴趣。因为我并没有权利要求各国政府支持我,只能帮助他们的科学家向政府解释实验的做法。

  (本文是丁肇中先生2018年7月6日在山东大学的演讲,根据录音整理,有删节。)

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