丁肇中：从物理实验中获得的体会

管季超0712

丁肇中：从物理实验中获得的体会

作者：丁肇中

我向大家介绍的是我所经历的实验，讲我所做的实验，我的实验包括两种，第一种，探索宇宙中最基本的结构，另一种是寻找宇宙的起源，在国际空间站上。 我小时候在重庆长大，那个时候常常有日本飞机徘徊在上空，所以我没有机会上学，同时，那个时候我对上学特别没有兴趣。今天，我们正享受着由人们对基础学科的研究所带来的成果，这里包括技术、通讯、计算机、交通、医疗等，这些大大提高了我们的生活质量。人们常常忘记为这些成果奠定基础的科学家，这些科学家是出于对自然界的好奇，才开始的探索和研究。 这是一座由基础研究转变为应用技术的金字塔。100年前，最尖端的科学是光学、力学，现在被用在电视、无线电、航空航天工程；20世纪30年代，最尖端的科学就是量子力学和原子物理，当时所有人都不理解它的用处，现在被用在IT上；20世纪40年代最尖端的科学是原子核物理，现在被用在核聚变。从大距离方面看，20世纪30年代最尖端的科学，就是对太阳系的研究，现在被用在导航和定时上，金字塔不断的增高，因为研究不断扩大它的底部，基础研究越来越走到角落，因为它远离日常生活。 许多人认为，如果一个国家想要在技术和经济方面有竞争力，它必须集中于能实际有市场效益的实用性技术的发展，并使经济持续发展。从历史的观点来看，这观点是错误的。如果一个社会将自己局限于技术转化，显然，经过一段时间，基础研究不能发现新的知识和新的现象后，也就没有什么可以转化的。所以，技术的发展是生根于基础研究之中。 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。当实验推翻了理论后，才可能创建新的理论，但理论不可能推翻实验。 给大家介绍几个我做的实验。 实验1 很早以前，中国人就认为世界是由金木水火土构成的。到19世纪初，周期表被发现，当时所有人认为最简单的东西是近一百个周期表上的元素，再后来就认为原子核是最基本的东西，到了20世纪70年代，我们又发现原子核里面几百个基本粒子是最基本的，现在我们又知道6种夸克和3种电子是最基本的。所以，物理学的知识是随着时间而变的。 1974年前物理学界认为，宇宙最基本的结构是三种夸克，我就问，为什么只有三种夸克？为了寻找新夸克，70年代初我设计了一个实验，实验要求精确度是极高的，相当于在北京下雨时，每秒钟有100亿个雨滴，如果有一个雨滴是不一样的，必须在一秒钟之内找出来。当时，大家都相信只有三种夸克，这三种夸克已经可以解释所有已知的物理现象，所以，我设计的这个“麻烦”实验不受物理学界欢迎。而1972年，美国的布鲁凯文实验室接受了我们的实验，为了从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100亿高能量的质子到探测器上，在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，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。为了保护人，先用5吨的铀，100吨的铅，然后用10000吨的水泥，把这些放射性去掉。最后用了肥皂，因为含水最多，所以用了5吨肥皂吸收了中子。开始向美国政府请求经费买5吨的肥皂，后来麻省理工学院说，不用美国政府出，由麻省理工学院出。正是这么多屏蔽，一个小时以后，辐射区的放射能量为5伦琴/小时，还是非常非常危险的。 两年以后，我们果然发现了一种新的粒子，它有一种特殊现象，寿命比已知的粒子长10000倍。新的粒子发现以后，很快同样寿命的粒子也被发现，它的重要性类似于我们发现一个偏僻的村子里所有的人不是一百岁，而是一百万岁。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，所以我们把它命名为J粒子。J粒子的发现，改变了物理学家长期认为世界上只有三种夸克的观念，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。这个实验的发现让我拿到了诺贝尔奖。 拿到诺贝尔奖以后，我就跟瑞典皇家科学院说，诺贝尔奖一百年了，从来没有人用中文，所以我要用中文作报告，当时美国大使来找我说：“你出生在美国，为什么用中文？”我说：“中国是世界上最古老的文明，所以我要用中文。”这是我当时说的。得到诺贝尔奖，是一个科学家最大的荣誉，我是在旧中国长大的，因此想借这个机会向在发展中国家的青年强调实验工作的重要性。中国有一句古话，“劳心者治人，劳力者治于人”，这种落后的思想，对在发展中国家的青年们有很大的害处。事实上自然科学理论不能离开实验的基础，特别是物理学就是从实验产生的。 我的第一点体会，做事情要对自己有信心，做你认为正确的事，不要怕困难，更不要因为多数人的反对而改变。 实验2 1979年，胶子的发现。1977年8月，邓小平建议每年派10位科学家参加我的工作，从那时候到现在，大概有上千个中国科学家到我这里工作过，包括很多的院士。 在20世纪70年代德国有一个很大的加速器，是300亿电子伏的电子对撞机，周长是7公里，我的目的就是测量电子的半径。结果发现一个很重要的东西，叫胶子。原子里面有原子核，里面有电子，电子里面有粒子，粒子里面有胶子，1612年，宇宙中物质之间被发现存在引力，但到现在为止没有人知道引力是怎么回事。电磁力是由光来传输的，强力就是由胶子来传输的。27名中国科学家参加了这次主要的实验，这是非常重要的贡献。 第二点体会，这个实验原来的目标是测量电子的半径，所以做基础研究对意料之外的现象要有充分的准备。 实验3 在西欧核子中心一个叫CERN的实验。西欧核子中心有一个周长27公里的加速器，这里最重要的发现就是互联网。刚才已经说过了，第一个问题，到底有多少种电子？电子有多大？电子能不能再分成更小的粒子？有多少种夸克？开始都认为只有3种，后来发现错了，现在有6种。夸克有多大？夸克能不能再分成更小的粒子？ 所以我们用的是1000亿电子伏的电子和1000亿电子伏的正电子对撞，产生很高的温度，是太阳表面4千亿倍的温度。我的实验就是在实验室里制造宇宙大爆炸最开始的情况。这个实验是很大的，从上到下大概六层楼高，磁铁重1万吨，里面有300吨的铀是来自苏联。 这个实验是首次由美国、苏联、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，中国最主要的贡献就是上海硅酸盐所生产的BGO晶体，BGO是透明的，但是重量和不锈钢一样。当时世界的年产量只有4公斤，我们需要12吨，这个问题后来被硅酸盐所解决了，那时候我经常到上海来。BGO等于透明的不锈钢，现在被广泛用于世界的医学以及工业。这个实验共发表了300篇文章，有300人获博士学位。这300篇文章的基本观念非常简单，第一，我们知道宇宙中只有三种不同的电子，第二，电子是没有体积的，电子半径小于10的负17次方厘米，第三，夸克也是没有体积的，夸克半径小于10的负17次方厘米。 第三点体会，要领导和主持一个大型国际科学合作，最主要的是选择科学上最重要的题目，引起参加国科学家最大的兴趣。对贡献大的科学家，要有优先的认可，并使之得到供给上的公认。这样才能得到参加国政府长期的优先支持。 实验4 再讲一下我现在做什么，就是寻找宇宙的起源。国际空间站上的AMS实验，研究宇宙以前的情形，最主要是光，这方面最重要的记录是1054年中国天文学家观测到的超新星。这是从哈勃望远镜看到两个星系碰撞，一个星系就被另外一个星系吃掉了。 所以在国际空间站上的基础科学研究中，第一，有两种宇宙射线，一个是光，我们已经研究几百年了，例如哈勃望远镜的研究发现；现在除了光以外，还有带电的宇宙射线，因为带电，就一定有质量，因为带电就必须有磁场。AMS放置在国际空间站上，长时间的测量高能带电的宇宙射线。这是首次由美国、中国、俄罗斯、芬兰、法国、德国、意大利、瑞士等16个国家和地区在空间领域合作的实验，有60个大学和研究所、600多位科学家共同参与。 因为从来没有人把磁体放在身上，所以美国的宇航局就说，我怎么知道你做的事情是对的，你先把磁体放在航天飞机上飞行十天。我们中国科学院电工所、航天部一院、MIT研制的磁体克服了磁体在太空使用的基本困难。这个实验的成功，获得了1998年世界十大科技新闻，就是阿尔法磁谱仪首次升空运行正常，6月2日，装有中国制造的巨大永磁体的阿尔法磁谱仪首次搭乘美国发现号航天飞机升空。 成功之后，我们就开始准备第二个实验，2005年，美国有一架航天飞机失事，美国宇航局就说再也不用航天飞机做实验了，把所有的实验都取消，唯一不同意这个决定的就是我，我说你这个决定是错误的，花了1000亿美金，一次失事就取消所有的实验是不明智的，后来到2008年，美国参议院、众议院全体通过了一个法律，指示宇航局为我们增加一班航天飞机，把AMS送入国际空间站。因为是全体通过，总统就不能否决，虽然布什总统不赞同，但是也不得不签署这个法律。到2008年，奥巴马竞选总统的时候，他也赞成国会增加至少一次的航天飞机航班用于有价值的任务。 被送上太空的仪器体积5米×4米×3米，重7.5吨。这是首次在太空中进行的大型精密物理实验，最重要的是，所有的探测器都是我们自己发展的新技术，从来没有人做过，绝大多数人认为这是不可能的。 穿越辐射探测器主要来自德国，美国和意大利参与，它的主要任务是分辨正电子和负电子。硅微条探测器共9层，有20万个电子信号通道，坐标精确度10微米，中山大学也有重要贡献。环形切伦科夫服探测器，分辨原子核，测量它的能量，有11000个光电倍增管。电磁量能器，5万根直径为1毫米的光线，均匀分布在600公斤的铅中。做完了以后，仪器送到天上是正确的，送上天以前，我们就放在周长27公里的加速器里，模拟所有的宇宙线，进行长期的测量。测量之后，离发射的时间已经很近了，原来我们想用一架德国航空公司的波音747运输机，但必须把我们的仪器分成两份，后来我考虑了一下，用20万条电子信号通道，分成两份，有一定的危险，所以我就借了一个C5运输机在肯尼迪航天中心降落，就在空间站处理中心停了五六个月，然后送到发射台上。在肯尼迪航天中心最主要的一个任务，就是让我们的仪器与比例相同的空间站做接轨的实验，表示到了太空能装进去，如果装不进去就比较困难了。 起飞前几天，我要求发射台里所有的工作人员和工程师及警卫人员都离开我远一点，过了很久的时间，我单独地想了想，想了好几个钟头：在过去的16年，很多国家一起合作，每一个重要决定我都想了，有没有错误的决定，有没有值得怀疑的地方，如果不能肯定万无一失，就不能让它起飞。我坐了很久，没有想出错误，就离开了。我离开以后，他们就开始让这6个宇航员到发射台上。2011年5月16日上午，航天飞机为送7.5吨离地面700公里的地方需要的燃料起飞，航天飞机的重量是110吨，外挂的氢和氧756吨，两个固定火箭是1142吨，总共是2008吨。 国际空间站每90分钟绕地球一周，速度是每小时2万公里，45分钟在白天，零上40度，45分钟在夜晚，零下20摄氏度，白天的时候，辐射板反射太阳能，太阳能板遮蔽太阳能，所以每90分钟，温度的变化非常大。 向大家介绍一两个最新的结果，大家千万记住，物理上的基本原理非常重要，升空到现在，我们收到540亿个宇宙线数据，这大大多于过去100年全世界搜集到的宇宙线的总和。在未来20年，我们会搜集到3000亿个数据，这将提供前所未有的精度，以探索宇宙。 第一个目标，寻找宇宙中的暗物质，宇宙中90%的物质是看不见的，因为看不见，我们叫它暗物质。宇宙线包括质子、电子、氦，这些射线碰撞的时候会产生能量，会变成质量，会产生正电子，暗物质，我们叫作中性微子，碰撞的时候会产生额外的正电子。这些额外的正电子，都会被我们精确地测量到。 到底找到暗物质没有？现在已探测到的五种结果都和暗物质有关，唯一还没有确定的是下降时间，下降得很快，一定是暗物质。 另外一个目标是寻找由反物质所组成的宇宙，如果宇宙起源于大爆炸，爆炸之前是真空，真空里不存在任何东西，所以大爆炸之后应该有同样数量物质与反物质。 要找反物质，在空间，一定要把地面上周期表的元素找出来，现在周期表上的元素都找出来了。宇宙是最广阔的实验室，宇宙线的能量高于任何加速器，宇宙中的反物质和暗物质是近代物理学的基础。这是唯一在太空中进行实验的仪器。我个人认为，我们最重要的目标是探测未知，探索自然界的存在，探索我们无法想象也无法发现的事实。因此，专家评审并不是绝对有用的，因为专家评审要依靠现有的知识。 最后一个体会，自然科学的研究是具有竞争性的，只有第一，没有第二，没有人知道是谁第二个发现相对论。