丁肇中

(美國(guó)麻省理工學(xué)院，美國(guó) 馬薩諸塞州 波士頓)

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·校長(zhǎng)·名人訪談·

我所經(jīng)歷的物理實(shí)驗(yàn)

丁肇中

(美國(guó)麻省理工學(xué)院，美國(guó) 馬薩諸塞州 波士頓)

丁肇中教授

首先論述了基礎(chǔ)研究與技術(shù)應(yīng)用的關(guān)系，指出技術(shù)的發(fā)展是生根于基礎(chǔ)研究之中。然后介紹了作者自己做的4個(gè)物理實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容意義以及從每個(gè)實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出來的體會(huì)。

實(shí)驗(yàn)； 物理實(shí)驗(yàn)； 基礎(chǔ)研究； 應(yīng)用技術(shù)

1 技術(shù)的發(fā)展是生根于基礎(chǔ)研究之中

我個(gè)人認(rèn)為，我們最重要的目標(biāo)是探測(cè)未知，探索自然界的存在，探索我們無法想象也不曾發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象。

這是我第一次到商學(xué)院做報(bào)告，我向大家介紹的是“我所經(jīng)歷的實(shí)驗(yàn)” 講我所做的實(shí)驗(yàn)，我的實(shí)驗(yàn)包括兩種，第一種是為了探索宇宙中最基本的結(jié)構(gòu)，另一種是在國(guó)際空間站上進(jìn)行的尋找宇宙的起源的實(shí)驗(yàn)。

我小時(shí)候是在重慶長(zhǎng)大，那時(shí)候常常有日本飛機(jī)來騷擾，所以我沒有機(jī)會(huì)上學(xué)，同時(shí)我那個(gè)時(shí)候?qū)ι蠈W(xué)特別沒有興趣。今天,我們正享受著由人們對(duì)基礎(chǔ)研究所帶來的前所未有的成果，這里包括技術(shù)、通訊、計(jì)算機(jī)、交通、醫(yī)療等，這些大大提高了我們的生活質(zhì)量。可是常常被人們忘記的是，為這些成就奠定基礎(chǔ)的科學(xué)家，這些科學(xué)家是出于對(duì)自然界的好奇心而去不停地探索。

這是一座由基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)用技術(shù)的金字塔(圖1)。100年前，最尖端的科學(xué)是光學(xué)、力學(xué)，現(xiàn)在被用在電視、無線電、航空航天工程；20世紀(jì)30年代，最尖端的科學(xué)就是量子力學(xué)和原子物理，當(dāng)時(shí)所有人都不理解它的用處，現(xiàn)在被用在IT上；20世紀(jì)40年代最尖端的科學(xué)是原子核物理，現(xiàn)在被用在核聚變。從大距離方面看，20世紀(jì)30年代最尖端的科學(xué)，就是對(duì)太陽系的研究，現(xiàn)在被用在導(dǎo)航和定時(shí)上。金字塔由于新的應(yīng)用在不斷增高，同時(shí)基礎(chǔ)研究不斷地拓寬它的底部。而基礎(chǔ)研究逐漸走到了金字塔最外面的角落，因此，有時(shí)候因?yàn)樗h(yuǎn)離日常生活而受到責(zé)難。只有在一段時(shí)間以后，當(dāng)金字塔的應(yīng)用部分長(zhǎng)高了，公眾對(duì)奇怪的新現(xiàn)象熟悉了，他們才看上去比較“實(shí)際”。

圖1 研究演變的金字塔

許多人認(rèn)為，如果一個(gè)國(guó)家想要在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面有競(jìng)爭(zhēng)力，它必須集中于能立即有市場(chǎng)效益的實(shí)用性技術(shù)的發(fā)展，并使經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展。我們聽到這樣的爭(zhēng)論：是支持“無用的”基礎(chǔ)學(xué)科，還是將資源集中于技術(shù)的轉(zhuǎn)化和應(yīng)用研究。從歷史的觀點(diǎn)來看，后一種觀點(diǎn)是目光短淺的。如果一個(gè)社會(huì)將自己局限于技術(shù)轉(zhuǎn)化，顯然，經(jīng)過一段時(shí)間，基礎(chǔ)研究不能發(fā)現(xiàn)新的知識(shí)和新的現(xiàn)象后，也就沒有什么可以轉(zhuǎn)化的了。所以，技術(shù)的發(fā)展是生根于基礎(chǔ)研究之中。

實(shí)驗(yàn)是自然科學(xué)的基礎(chǔ)，理論如果沒有實(shí)驗(yàn)的證明，是沒有意義的。當(dāng)實(shí)驗(yàn)推翻了理論后，才可能創(chuàng)建新的理論，理論不可能推翻實(shí)驗(yàn)。過去400年，我們對(duì)物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的基本了解，大都來自于實(shí)驗(yàn)物理。

給大家介紹幾個(gè)我做的實(shí)驗(yàn)。

2 四個(gè)實(shí)驗(yàn)四種體會(huì)

2.1 第一個(gè)實(shí)驗(yàn),1974年發(fā)現(xiàn)J粒子

(1) 實(shí)驗(yàn)幾乎被世界上的所有實(shí)驗(yàn)室拒絕

我們對(duì)宇宙最基本的認(rèn)識(shí)是隨著時(shí)間改變的。很早以前，中國(guó)人就認(rèn)為世界是由金木水火土構(gòu)成的，是最簡(jiǎn)單的。到了19世紀(jì)初期，周期表出現(xiàn)了，當(dāng)時(shí)所有人認(rèn)為最簡(jiǎn)單的東西是近一百個(gè)周期表上的元素。再后來就認(rèn)為原子核是最簡(jiǎn)單的東西，到了20世紀(jì)70年代，我們又發(fā)現(xiàn)原子核里面幾百個(gè)基本粒子是最簡(jiǎn)單的，現(xiàn)在我們又知道6種夸克(Quark，是一種基本粒子，也是構(gòu)成物質(zhì)的基本單元)和3種電子是最基本的。這說明，物理學(xué)的知識(shí)和人們對(duì)客觀世界的看法是隨著時(shí)間而變的。

1974年以前，物理學(xué)界認(rèn)為，宇宙最基本的結(jié)構(gòu)是3種夸克。我就問，為什么只有3種夸克？為了尋找新夸克，70年代初我設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)要求的精確度是極高的。相當(dāng)于在北京下雨時(shí)，每秒鐘有100億個(gè)雨滴，如果有1個(gè)雨滴是紅色的，我們要從這100億個(gè)雨滴中找出它來。

所以這個(gè)實(shí)驗(yàn)不受所有物理學(xué)家的歡迎，主要的原因是，大家都相信只有3種夸克，一來因?yàn)檫@3種夸克可以解釋所有當(dāng)時(shí)已知的物理現(xiàn)象；二來沒有人相信如此困難的實(shí)驗(yàn)?zāi)艹晒?。?shí)驗(yàn)幾乎被世界上的所有實(shí)驗(yàn)室拒絕。

然而，在不斷的堅(jiān)持下，1972年，美國(guó)的布魯凱文實(shí)驗(yàn)室接受了我們的實(shí)驗(yàn)，為了從100億個(gè)已知粒子中找到一個(gè)新粒子，這個(gè)實(shí)驗(yàn)，必須每秒鐘輸入100億高能量的質(zhì)子到探測(cè)器上，在這么多的質(zhì)子輸入探測(cè)器所產(chǎn)生的放射線會(huì)徹底破壞探測(cè)器，對(duì)工作人員也是非常危險(xiǎn)的。因此，必須發(fā)展全新的，精確的，在非常強(qiáng)的放射線下能正常工作的全部?jī)x器，也必須設(shè)計(jì)安全的屏蔽系統(tǒng)。為了保護(hù)人的安全，先用5噸的鈾，100噸的鉛，然后用10 000噸的水泥，把這些放射性去掉。最后用了肥皂，因?yàn)楹疃?，所以用?噸肥皂吸收了中子。開始向美國(guó)政府請(qǐng)求經(jīng)費(fèi)買5噸的肥皂，后來麻省理工學(xué)院說，不用美國(guó)政府出，由麻省理工學(xué)院出。正是這么多屏蔽，一個(gè)小時(shí)以后，輻射區(qū)的放射能量為5倫琴/小時(shí)，還是非常非常危險(xiǎn)的。

我們最終做成了這個(gè)實(shí)驗(yàn)。兩年后，我們果然發(fā)現(xiàn)了一種新的粒子，它有一種特殊現(xiàn)象，壽命比已知的粒子長(zhǎng)10 000倍。新的粒子發(fā)現(xiàn)以后，很快同樣壽命的粒子也被發(fā)現(xiàn)，它的重要性類似于我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)偏僻的村子里所有的人不是一百歲，而是一百萬歲。新粒子的發(fā)現(xiàn)，證明了宇宙中有新的物質(zhì)存在，它們是由新的夸克組成的，我們把它命名為J粒子。

J粒子的發(fā)現(xiàn)，改變了物理學(xué)家長(zhǎng)期認(rèn)為世界上只有3種夸克的觀念，改變了人類對(duì)于物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。繼J粒子之后，人們又找到了新的粒子，現(xiàn)在我們已經(jīng)知道，世界上至少存在6種不同的夸克。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的發(fā)現(xiàn)讓我拿到了諾貝爾獎(jiǎng)。

(2) 用中文做諾貝爾獲獎(jiǎng)報(bào)告

拿到諾貝爾獎(jiǎng)以后，我就跟瑞典皇家科學(xué)院說，諾貝爾獎(jiǎng)一百年了，從來沒有人用中文演講，所以我要用中文做一個(gè)報(bào)告，當(dāng)時(shí)美國(guó)大使來找我說：“你出生在美國(guó)，為什么用中文？”我說：“中國(guó)是世界上最古老的文明，所以我要用中文(圖2)”。

得到諾貝爾獎(jiǎng)，是一個(gè)科學(xué)家最大的榮譽(yù)，我是在舊中國(guó)長(zhǎng)大的，因此想借這個(gè)機(jī)會(huì)向在發(fā)展中國(guó)家的青年強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)工作的重要性。中國(guó)有一句古話，“勞心者治人，勞力者治于人”。這種落后的思想，對(duì)在發(fā)展中國(guó)家的青年們有很大的害處。事實(shí)上自然科學(xué)理論不能離開實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，特別是物理學(xué)，它的理論就是從實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的。

圖2 丁肇中中文演說原稿

我的第一點(diǎn)體會(huì)，做事情要對(duì)自己有信心，做你認(rèn)為正確的事，不要怕困難，更不要因?yàn)槎鄶?shù)人的反對(duì)而改變。

2.2 第二個(gè)實(shí)驗(yàn)，1979年膠子的發(fā)現(xiàn)

在上世紀(jì)70年代德國(guó)有一個(gè)很大的加速器，是300億電子伏的電子對(duì)撞機(jī)，周長(zhǎng)是7公里，我的目的就是測(cè)量電子的半徑。結(jié)果發(fā)現(xiàn)一個(gè)很重要的東西，叫膠子(圖3)。

圖3 膠子示意圖

剛才已經(jīng)說過了，原子里面有原子核，里面有電子，電子里面有粒子，粒子里面有膠子。1612年宇宙中物質(zhì)之間有引力被發(fā)現(xiàn)，但到現(xiàn)在為止沒有人知道引力是怎么回事。電磁力是由光來傳輸?shù)模瑥?qiáng)力就是由膠子來傳輸?shù)摹?979年9月2日紐約時(shí)報(bào)很長(zhǎng)一篇文章介紹了我們發(fā)現(xiàn)了膠子的消息，27名中國(guó)科學(xué)家參加了這次主要的實(shí)驗(yàn)，這是非常重要的貢獻(xiàn)。

第二點(diǎn)體會(huì)，做基礎(chǔ)研究對(duì)意料之外的現(xiàn)象要有充分的準(zhǔn)備。要知道，我們做這個(gè)實(shí)驗(yàn)原來的目標(biāo)只是測(cè)量電子的半徑。

2.3 第三個(gè)實(shí)驗(yàn)，歐洲核子研究組織進(jìn)行的一次實(shí)驗(yàn)

歐洲核子研究組織(CERN)有一個(gè)周長(zhǎng)27公里的加速器，這里最重要的發(fā)現(xiàn)就是互聯(lián)網(wǎng)。剛才已經(jīng)說過了，第一個(gè)問題，到底有多少種電子？電子有多大？電子能不能再分成更小的粒子？有多少種夸克？開始都認(rèn)為只有3種，后來發(fā)現(xiàn)錯(cuò)了，現(xiàn)在有6種?？淇擞卸啻?？夸克能不能再分成更小的粒子？

所以我們用的是1 000億電子伏的電子和1 000億電子伏的正電子對(duì)撞，產(chǎn)生很高的溫度，是太陽表面4千億倍的溫度。我的實(shí)驗(yàn)就是在實(shí)驗(yàn)室里模擬宇宙大爆炸最開始的情況。這個(gè)實(shí)驗(yàn)是很大的，從上到下大概六層樓高，磁鐵重1萬噸，里面有300噸的鈾是來自前蘇聯(lián)。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)是首次由美國(guó)、前蘇聯(lián)、中國(guó)、歐洲等19個(gè)國(guó)家的600名科學(xué)家共同參加的大型國(guó)際合作，中國(guó)最主要的貢獻(xiàn)就是上海硅酸鹽所生產(chǎn)的BGO晶體，BGO是透明的，但是重量和不銹鋼一樣。當(dāng)時(shí)世界的年產(chǎn)量只有4公斤，我們需要12噸，這個(gè)問題后來被上海硅酸鹽所解決了，那時(shí)候我經(jīng)常到上海來(圖4)。BGO等于透明的不銹鋼，現(xiàn)在被廣泛用于世界的醫(yī)學(xué)以及工業(yè)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)共發(fā)表了300篇文章，有300人獲博士學(xué)位。這300篇文章的基本觀念非常簡(jiǎn)單，第一，我們知道宇宙中只有3種不同的電子，第二，電子是沒有體積的，電子半徑小于10的負(fù)17次方厘米，第三，夸克也是沒有體積的，夸克半徑小于10的負(fù)17次方厘米。

圖4 丁肇中教授

第三點(diǎn)體會(huì)，要領(lǐng)導(dǎo)和主持一個(gè)大型國(guó)際科學(xué)合作，最主要的要選擇科學(xué)上最重要的題目，引起參加國(guó)科學(xué)家最大的興趣。因?yàn)槲也]有權(quán)利通知德國(guó)人、意大利人等，他們?cè)敢鈪⒓樱钦J(rèn)為這個(gè)題目是非常重要的。對(duì)貢獻(xiàn)大的科學(xué)家，要有優(yōu)先的認(rèn)可，并使之得到國(guó)際上的公認(rèn)。這樣才能得到參加國(guó)政府長(zhǎng)期的優(yōu)先支持。

(未完待續(xù))

(本刊綜合摘編自中歐國(guó)際工商學(xué)院等網(wǎng)站)

My Experince of Physical Experiments

DINGZhao-zhong

(Massachusetts Institute of Technology, Boston, USA)

The author discussed the relationship between basic research and technology application first, and pointed out that technological development is rooted in the basic research. Then he introduced the contents and significance of four physical experiments conducted by author himself, and comprehending from each experiment

experiment; physical experiment; basic research; applied technology

2015-01-12

丁肇中(1936-)，男，祖籍山東省日照市，美國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家、華裔美國(guó)人，現(xiàn)任美國(guó)麻省理工學(xué)院教授，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)名譽(yù)教授，曾獲得1976年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他曾發(fā)現(xiàn)一種新的次原子粒子，并命名為“J粒子”。1974年丁肇中與美國(guó)加州斯坦福大學(xué)教授伯頓·里克特幾乎同時(shí)各自發(fā)現(xiàn)新的基本粒子-J/ψ基本粒子，1976年兩位教授因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)及美國(guó)政府的勞倫斯獎(jiǎng)。目前，丁肇中正領(lǐng)導(dǎo)由16個(gè)國(guó)家600名科學(xué)家組成，在國(guó)際空間站上唯一的大型科學(xué)實(shí)驗(yàn)(AMS)，尋找宇宙的起源。

O 571

A

1006-7167(2015)10-0001-03

編者按：丁肇中教授是一位杰出的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家,諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者。他對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)有許多著名的論斷,在許多大學(xué)、科研部門作過關(guān)于一些著名物理實(shí)驗(yàn)及體會(huì)的演講。本刊特選登丁肇中教授在中歐國(guó)際工商學(xué)院大師講堂的《我所經(jīng)歷的物理實(shí)驗(yàn)》報(bào)告，其內(nèi)容豐富，意義深刻?，F(xiàn)應(yīng)廣大讀者要求,特予以重發(fā),以饗讀者。