星云法师佛语:诺贝尔奖得主丁肇中教授：我所经历的实验物理

    人民网科技北京9月16日讯 记者徐丹报道：诺贝尔奖获得者丁肇中教授在2006年中国科协年会开幕式上做特邀报告，报告的题目是《我所经历的实验物理》。全文如下：

　　我是学实验物理的，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。

　　过去400年来，我们对物质结构的基本了解，大都来自于实验物理。世界上第一个加速器在1612年比萨斜塔，0.0001ev，现在世界上最大的加速器周长27公里。

　　我今天向大家报告的题目是“我所经历的实验物理”，介绍我的五个实验及体会。

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

　　但是1964年哈佛大学和康奈尔大学著名的教授们和多年专门从事这种实验的专家们用很多年的时间，做了两个不同的实验得出了相反的结果——量子电动力学是错误的，电子是有体积的，他们的结果受到物理学界的认可和重视。

　　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电子的半径。那个时候，我刚拿到博士学位，没有任何经验，所以没有人相信我能做出这样的实验，也没有人支持我。

　　1965年，我决定放弃在美国大学的前途，到德国新建的加速器用不同的方法重做实验。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，它的半径是小于10的负14次方厘米。这是我的实验仪器，和我工作的年轻人美国某大学的系主任。

　　第一点体会：不要盲从专家的结论。我没有做实验以前，都是世界级的专家在做这个实验。

　　第二个实验，新粒子价值的发现。在1974年以前，物理界认为，所有的粒子是由三种夸克所组成。我的问题是：为什么宇宙中只有三种夸克？为了寻找新的夸克，我决定建立一个高灵敏度探测器。在90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，我们要从这100亿个里找出来。

　　这个实验不受物理学界欢迎，大家都相信只有三种夸克，没有人相信如此困难的实验能成功。

　　到1972年，美国的布鲁凯文实验室接受了我们的实验。为了能从100亿个已知粒子中找到一个新的粒子，这个实验：1、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。2、因此必须发展全新的、非常精确的、在非常高的放射线下能正常工作的全部仪器。3、也必须设计安全的屏蔽系统。这是仪器，用的是100亿质子，5吨的U238，100吨铅，5吨肥皂。

　　我多年做实验，一直都受到各个国家政府的支持，最困难的是向政府请求5吨的肥皂。肥皂是用来防止中子。这是J粒子探测器，设在美国国家科技馆，它的分辨率非常高，100微米，同时分辨20兆赫兹的速度。

　　两年以后，我们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一万倍。新粒子发现以后，很快同样寿命的类似的粒子也都被发现。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是和普通人完全不一样的。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粒子的发现对物理的贡献。J粒子的发现，改变了物理学界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，世界上至少存在六种不同的夸克。

　　因为在诺贝尔奖历史上，从来没有人用中文做过演讲，所以我决定在授奖的时候用中文演讲，这是我当时所说的。

　　我说得到诺贝尔奖，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青年们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，由于这种思想，很多发展中国家的学生们都偏向于理论的研究，而避免实验工作。

　　获诺贝尔奖以后，叶剑英元帅写了一首诗给我，“攻城不怕坚，攻书莫畏难，科学有险阻，苦战能过关。”

　　第二点体会，要对自己有信心，做你认为正确的事，不要惧怕困难，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机会。

　　第三个实验，胶子发现。1977年8月，邓小平建议每年派10位科学家参加我的工作，从那个时候起，中国科学家参加我的团队，并做出了世界上公认的贡献。邓小平对我说，对科技工作，要想得远一点，看得宽一些。一是要派人出去学习，二是要请人来讲学。不但科研机构这样，企业也要这样。

　　对我个人来讲，我曾经多次见到邓小平先生，特别值得一提的是，1984年10月，他还特别安排我在非常安全的，没有人知道的情况下，从台湾取道日本到北京来访问。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，同时也向我讲战争年代的经历。他是我接触过的国家元首和科学家中最特殊的。

　　在70年代，德国PETRA，300亿电子伏电子对撞机，这是我的实验，原来的目标是继续找电子半径。什么叫发现胶子？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。宇宙中有四种力，一种是引力，来源到现在没有人知道引力是怎么回事。电磁力，由光子传输，电子和原子核中的力，就是光子传输。弱力，由Z、W子传输，强力是由胶子传输。强力由胶子传输。

　　我们在做实验的时候，我突然注意到，在正电子和电子对撞的时候，产生夸克，胶子喷注。1979年9月，美国《纽约时报》头版消息报道了我们发现胶子的消息。《参考消息》1979年9月11日转载《纽约时报》头版消息，二十七名中国科学家参加了这次主要的实验，在有关核粒子的国际合作研究项目史上，这是第一次，也是中国的一大贡献。

　　《人民日报》1979年9月5日说，这种新粒子发现引起全世界科学界极大兴趣。科学院高能物理研究所唐孝威等二十多位科学工作者参加这项实验研究。

　　第三点体会，做科学研究对意料之外的现象要有充分的准备

　　第四个实验，在欧洲核子中心的L3实验。这是日内瓦的飞机场，这是有一个周长27公里的加速器，1000亿电子伏特正电子与1000亿电子对撞。太阳表面4000亿倍的温度，也是宇宙诞生最初的1000亿亿分之一秒时的温度。这是我们用的仪器，比这个大厅稍微小一点，用的磁铁是1万吨，探测器包括300吨铀，均来自苏联。

　　这是首次美国、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。中国政府非常支持L3实验，包括给了一个非常先进的计算机，同时在上海硅酸盐生产BGO晶体，我们开始做这个晶体的时候，世界上产量只有四公斤，很不幸的是我们需要12吨，怎么办呢？我还记得严冬生先生特别跟我们说他们可以做，当时德国人、法国人都比较反对，不愿意听别人的意见。

　　所以决定在上海做，结果做得非常成功。现在他们的晶体产品已被广泛用于工业及医学领域。

　　L3实验共发表了271篇文章，有300人获博士学位。实验结果可以用三句话来表达：1、宇宙中只有三种不同电子。2、电子是没有体积的，电子半径小于10的负17厘米。3.夸克也是没有体积的，夸克半径小于10的负17厘米。很多中国科学家参与这个实验。

　　第四点体会，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。

　　第五个实验，国际空间站上的AMS实验。国际空间站长109米，宽80米，这个实验是国际空间站唯一的大型科学实验，也是第一个送入太空的磁谱仪。AMS的目标是寻找由反物质组成的物质，暗物质和宇宙线的来源。

　　大爆炸的理论中，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，原因是在爆炸以前是真空。现在宇宙已经150亿年，有各位，有人民大会堂，有反物质的宇宙。什么叫反物质？1928年，英国科学家狄拉克提出反物质理论。在发现反物质后，他于1993年获诺贝尔奖。他的理论基本原理是说在相对论的公式里和量子力学的公式里，质量是成平方的，微量成平方，他就问负质量是什么意思？由此得出反物质的理论。所以，拿诺贝尔奖对他来说还是比较有意义的。

　　1965年，《纽约时报》头版有一则消息，物理学家拿到反物质，这是介绍我的实验，发现由反物质组成的反原子核。这个报告对我还是比较重要的，原因是当时的《参考消息》：蒋帮《中央时报》介绍了我，还介绍了我的父亲。因此，我在国内的姑姑们、姐姐们，看到《参考消息》，就知道了我的消息，所以对我还是比较重要的。

　　人类研究天文最早技术来源于甲骨文，最早的记录是在1300年前，关于超新星大爆炸。更详细的记录，是在宋朝1054年，关于《金牛座星》的报告。在过去40年里，天文学和宇宙论突破性的发展，仍源于光和电波的探测，有哈勃望远镜，有地面望远镜，过去有十个诺贝尔奖，可是宇宙线里面除了光以外，还有带电的粒子3，带电的粒子有质量，所以它就被大气吸收了，不要因为它带电就必须要用磁铁，至今没有一个精密的磁谱仪在太空观测到带电粒子，其主要原因在于无法将超导磁铁送入太空。AMS是第一个送入太空的磁谱仪。

　　实验放在天上三年，可以收到很多正物质的原子核。能不能找到反氦反碳等反物质？三年，如果没有任何发现，就显示了可见的宇宙范围内，没有反星系存在，因而宇宙的演化，不遵守物质与反物质的对称性。

　　中国有很多大学或很多的研究机构参加，东南大学、上海交大、中山大学、山东大学、电工所、高能所、航天部一院、五院等等。这是部分的工作人员（见图）。

　　这是首次美国、中国（台湾）、俄罗斯、芬兰、法国、德国、意大利、瑞士等国在空间领域的合作，56个大学和研究所，600位科学家的合作。飞行两次，第一次用来掌握磁体在太空中运作的基本技术，第二次来寻找反物质的存在。为什么没有人能把磁铁放在天上？原理非常简单，大家就记得指南针是中国人发明的，指南针的原理就是有一个针永远一头指南，一头指北，一个大磁铁放在针上，永远向南转，很快就失去控制，这是重要的困难。这个困难被中科院电工所、航天部一院的人克服了。

　　我们这个实验组装以后，在航天飞机上飞行十天以后落地。果然发现很多想象不到的效果，发现了外太空中许多从未了解的，想象不到的现象。例如在靠进赤道的地区，正电子的数量为电子的4倍。

　　《科技日报》1998年有一个比较重要的科技新闻，阿尔发磁比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发磁比仪首次搭乘美国发现号航天飞机升空。此次磁比仪将安装于未来的国际空间站，用以探测宇宙中的反物质粒子。在此次实验中磁比仪运行正常。当时有很多美国科学家说这个是不会成功的。98年成功以后，我们全部的时间在制造AMS02，AMS02有30万个数据读出系统，650个微处理机，用零下271度的超导磁铁，所有的仪器没有任何经验可以借鉴，没有任何以前的资料和数据可以参考。现在仪器已经开始运往日内瓦组装。

　　这个是测量电子的，这个是测量速度的，这个是测量重量的。其中有很多非常精密的仪器，比如硅微条探测器，共8层，6.6平方米，这个已经做完。

　　还有一个很重要的就是量能器，测量光和电子，这个也已经做完了，高能所陈和生、吕雨生、庄红林和法国人一起完成的。

　　AMS超导磁铁现在正在美国的约翰逊太空中心组装。中国政府领导对这个也非常有兴趣，我曾经向胡主席报告过中国参加AMS实验的意义。

　　中国大学。AMS实验是由世界上知名大学组成的，包括：美国麻省理工学院、耶鲁大学；瑞士的苏黎士高工、日内瓦大学、意大利的罗马大学等等。中国的大学可以和他们进行长期的合作和竞争。大学具有学科综合优势和充分的学术自由，在研究中能发挥创造性的作用，过去一百年里，拿物理奖的人95%来自于大学。

　　中国航天。AMS实验是由美国宇航局、俄罗斯宇航局、欧洲宇航局、意大利宇航局、德国宇航局参加和支持，中国的航天专家可以进行长期高水平的技术交流和竞争。可以得到AMS实验所发展的先进的航天技术，例如：用于空间的快电子系统、空间超导磁铁等。

　　现在我向大家介绍我们到底可以找到什么。这个表讲近代物理研究的原定目标和实际发现。在六十年代，世界上最大的加速器就是美国300亿电子伏质子加速器，原定的目标就是专家的意见，πN相互作用，2种中微子，时间反演破缺，J粒子。70年代，美国4000亿电子伏质子加速器，中微子物理，第5种夸克，第6种夸克。70年代，美国60亿电子伏正负电子对撞机，量子电动力学，部分子，第四种夸克，第三种电子。80年代，德国400亿电子伏正负电子对撞机，第6种夸克，胶子（1979年中国科学家参与）。2000年，日本地下试验室，质子寿命，中微子有质量。哈勃望远镜，银河探索，发现宇宙曲线是平的，暗能量。假使你没有出错，你会发现实际发现和原定目标一点关系都没有。专家的意见是根据已经知道的知识，实际的发现是要打破已经知道的知识，这样科学才可以前进。

　　第五点体会，自然科学的研究是具有竞争性的，只有第一，没有人知道谁是第二个发现相对论的。

　　如果你要求物理学家，即使是最伟大的物理学家，对一个新发现的实际应用做出预言，你可以听到如下的回答：1930年，物理学家恩内斯特·卢瑟福：“通过打碎原子来产生能量是不合算的。任何希望将原子嬗变转化成能源的想法都是空想。”

　　1926年，物理学家，李·德福斯特：“电视从理论和技术而言是可行的，从商业和经济的角度来看，我认为是不可能的，它只不过是浪费时间的梦想。”

　　1880年，开尔文爵士：“X射线是个骗局。”

　　人们注意到，金字塔由于新的应用在不断以增高，同时基础研究不断拓宽它的底部。基础研究越来越走到了金字塔最外面的角落，因此，有时候因为它远离日常生活而受到责难。只有在一段时间以后，当金字塔的应用部分长高了，公众对奇怪的新现象熟悉了，他们才看上去比较实际。

　　我认为，没有任何理由认为今后金字塔不会继续扩大和长高。

　　从发现一个新现象到市场化大约需要20-40年，对政治家和实业家来说，这样一段时间常常是太长了。但是，研究工作不会是一帆风顺的，当深入到未知领域时，很难做出预言。错误是成功的一个组成部分。因此，基础研究需要充分的自由空间和长期的展望。

　　许多人认为，如果一个国家想要在技术和经济方面具有竞争力，它必须集中于能立即有市场效益的实用性技术的发展，并使经济持续发展。我们听到这样的争议：是支持“无用的”基础科学，还是将资源集中于技术的转化和应用研究。从历史的观点看，后一种观点是目光短浅的。

　　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了。技术的发展生根于基础研究之中。我们可以看到，如果没有对基础研究和教育方面的投资，发展经济的实用主义途径是不可能持久的。

　　这正是1977年8月邓小平主席对我说的：对科技工作要想得远一些，看的宽一些。