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丁肇中:中国科学家有成绩就升官 是误入歧途

 

编者按:这是丁肇中先生2018年7月6日在山东大学的演讲。在演讲中丁肇中谈到了自己经历的现代物理的重要实验以及自己做自然科学研究的体会。演讲中他还提到,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。

原标题:大家讲坛| 丁肇中:我所经历的现代物理及我的体会

演讲者 丁肇中

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。

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。公元1612年,世界上所建造的最早的加速器,就是比萨斜塔。伽利略在上面让不同重量的东西同时落地。那个加速器能量非常低[0.0001eV],可是现在还存在,为人类做出了最重要的贡献。现在世界上最大的加速器,是周长27公里的欧洲核子中心的加速器,能量非常高[1.4×10∧13eV]。这个加速器的一个比较重要的“发明”,就是大家现在所用的互联网。经过四百多年的努力,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。因为他们做了两个不同的实验,得到同样的结论,所以受到了物理界的认可和重视。

哈佛—康奈尔实验与费曼、施温格、朝永振一郎理论的对比

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)。这两个人是我当年的学生,一个学生现在是普林斯顿大学的副校长,另一个并不是个特别好的学生,现在是一个有成就的工业家。

实验示意图

丁肇中的学生

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。它的半径它的半径小于10∧-14厘米,小于不是等于。看看这个结果和理论的比较,这样的结果和理论完全符合,这表示电子是没有体积。

量子电动力学是正确的

所以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。

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。

美国布鲁克海文国家实验室

七十年代初,我设计了这个实验。实验要求的精确度是极高的,相当于在北京或者济南下雨的时候,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。按照屏蔽设施图:为了放射线屏蔽,先放了10000吨的水泥,然后放5吨的铀,100吨的铅,还有5吨的肥皂。为什么用肥皂?因为肥皂里面含水最多,水可以阻止慢性的中子。整个加速器把所有的粒子同时发射,也就是说每秒钟发射一百亿个粒子,能量是300亿电子伏。

屏蔽设施图

新发展的粒子探测器,以前是没人做过的。这个探测器多年展于华盛顿的国家科技馆。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,就是两年以后,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。它的重要性很容易了解。在山东,人都活到一百岁左右,但忽然有一个村子,人不是一百岁,是一百万岁,这些人就和普通人不一样。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。

美国华盛顿国家科技馆展出的J粒子探测器

发现J粒子时的事例图,标记处即为发现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”,那个时候我还不知道“十月革命”是什么。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。

第三个实验是1979年发现胶子。刚才已经和大家介绍过了,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。发现胶子的意义是很大的。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