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诺贝尔物理学奖得主丁肇中和他的五个实验

时间:2023-05-29 08:49:06       来源:今日科学

2023年5月16日到5月23日,一周的时间里,87岁的诺贝尔物理学奖得主丁肇中先生从北京到广州,从中国科学院高能物理所的高能论坛到大湾区科学论坛,活动安排虽不算密集,但舟车劳顿于他的年龄来说仍称得上是一次考验。

本周,《面对面》栏目赴广州专访丁肇中先生。

采访前,我们了解到两个信息,一个是他将在采访结束后马上出发,前往中微子实验室去考察,另一个是他在整个行程中,每天都会在固定的时间里和远在瑞士的团队通电话,讨论正在进行的实验。


(资料图片)

实验是干什么的?有什么用?

丁肇中长期从事高能物理实验,这意味着,能和他讨论专业问题,或者仅仅向他提出专业问题的人都是极少数的。

记者:有没有人问您实验是干什么的?有什么用?有什么用这个问题是不是反复被人问过?

丁肇中:常常有人问这个问题。比方说20世纪30年代的时候我们研究的是原子物理或者量子力学,那个时候就有人问做这个干什么?这完全是抽象的,现在用在量子计算机上用在通信上,完全是那个时候的基本物理。在1900年左右最主要的一个发现是X光,当时也有人问做X光干什么?现在用在医学上用在各种不同研究上。20世纪50年代的时候,最先进的科学就是原子核物理,那时候也有人问这有什么用处?花这么多钱研究这个干什么?现在用在能源上。从发现到应用可能有30年到50年的时间,到能应用的时候就改变人的整个知识,问这个问题是很自然的现象,可是要想清楚一点,人要研究这个主要是因为好奇心,有的结果改变人的整个人生。

“教授大小对我来说没有意义,做实验物理不要盲从专家的结论”

近些年,丁肇中在不同场合分享体会时,都用了大致相同的文本结构,那就是五次重要的实验和每个实验带给他的领悟,他从他第一个重要实验中得到的领悟是“做实验物理不要盲从专家的结论”。

记者:您做的第一个重要实验就是电子到底有没有半径,当时是很权威的教授做出来的实验?

丁肇中:对,两个学校。

记者:您当时博士毕业没多久,怎么就可以去质疑这么大的教授做出来的实验呢?

丁肇中:大教授和小教授对我来说是没有意义的。我就觉得量子力学、量子电动力学是很完整的科学,因为以前很多人检查过这个都是对的,推测都是对的,忽然两个实验说它是错的,所以我就觉得很奇怪,我就想一个办法检查一下。

做实验需要钱,需要实验室。在美国,丁肇中没有找到愿意和他合作的实验室。1965年,他放弃了在美国大学的前程,到德国新建的电子同步加速器研究所,重做了正负电子对实验。八个月后,他的实验证明:量子电动力学是正确的,电子没有体积。

记者:您当时做出来这个说是推翻有名大学有名教授的实验,您去哪说去,您一个小人物去推翻人家大人物,怎么去推翻人家?

丁肇中:我现在忘了是哪一月了,国际高能物理每两年有一个会,德国国家研究室主任就写了封信,说我们要来,我们有结果要向大家公布,所以就带我去了。那时候根本没有计算机,稿子是从德国到美国加州的飞机上写的。第一个报告可能是哈佛大学的,第二个报告可能是康奈尔大学,两个都证明电子有半径,组织会议的人就说现在没有时间了,不过我给你10分钟。

记者:给了他们多少时间?

丁肇中:大概一个钟头左右。10分钟我就简单地介绍了一下,这个实验怎么做的?怎么样校对?怎么样检查?

记者:能够说服别人吗?

丁肇中:不知道,大概别人都相信了吧。

记者:这个实验给您奠定了一个什么基础?

丁肇中:慢慢有人知道我是谁了,慢慢开始有人支持我了。

“不要因为大多数人反对而改变你的兴趣”

20世纪70年代,丁肇中从事有关光子和重光子的一系列实验。这些实验“不受物理界的欢迎”:在理论物理学家眼中,寻找高质量的重光子物理意义不大;在实验物理学家心中,没有人能完成如此困难的实验。

丁肇中:要从正负电信号中找重光子需要极高的背景分辨率,就相当于广州下雨的时候,每秒钟有100亿个椅子中间有一个是红的,你要把这个红的找出来,所以必须发展全新、非常精确、非常强的放射线下,能正常工作的全部新仪器,这个实验不受物理界的欢迎。

在这个理论物理学家和实验物理学家都不看好的实验中,藏着一顶诺贝尔物理学奖的桂冠,但要戴上这顶桂冠,丁肇中首先要做的,仍然是找到愿意和他合作的实验室。

美国布鲁克海文国家实验室接受了丁肇中的实验计划。1974年,这项实验让丁肇中找到第四种夸克——J粒子,这一发现推翻了过去认为世界只由三种夸克组成的理论,为人类认识微观世界开辟了一个新的境界。

丁肇中:所以第二个体会,做基础研究要对自己有信心,做你认为是正确的事情,自然科学的发展是多数服从少数,少数人把多数人的观念推翻了以后才能向前走,千万不要因为大多数人反对而改变你的兴趣。

1976年,丁肇中因此获得诺贝尔物理学奖,领奖时,他坚持使用中文演说,成为诺贝尔奖历史上第一个使用中文作获奖致辞的人。

“当实验和理论不符合的时候,你才可以学到新的东西”

1979年,丁肇中学术生涯的第三个重要实验,带给他的启示是“作为一名实验科学家,对意料之外的现象要有充分的准备”。这项实验原本的目标是继续寻找电子的半径,结果却意外发现了胶子。

1979年9月2日,美国《纽约时报》在头版上报道了新的发现,报道中特意提到“27名中国科学家参加了这个实验”。这是改革开放后,中国科学家第一次参与国际合作,这批科学家中很多来自中国科学院高能物理所。这之后,丁肇中领导的L3实验开始,包括中国在内的19个国家、600多名科学家参与其中。

L3实验在欧洲核子中心进行,这项实验耗费了丁肇中20年的时间,实验发现,在现在的能量范围内,宇宙中有三种不同的电子、三种不同的中微子和六种不同的夸克。电子和夸克是没有体积的。

L3实验带给丁肇中的启发:组织国际活动,要选择科学上最重要的题目,以引起参加国的兴趣。贡献大的国家要有优先的认可,这才能得到参加国政府的长期优先支持。但追根溯源,他仍将国际合作之所以成功,归因于人们对物理的兴趣。

丁肇中:国际组织很大、很多的国家,可是我并没有权力控制他们的经费,也没有这个能力,所以他们愿意做这个事情,因为他们对这个物理有兴趣。

把不可能变为可能

从1994年开始,即将60岁的丁肇中启动了他物理生涯中第五个重要的实验。他想要把磁谱仪放到太空中,寻找反物质、暗物质和宇宙线的秘密。

丁肇中:很多人说这是不可能的实验,人类不可能把磁铁放到天上。因为磁铁放到天上,就像中国人用的指南针一样,一头会向北一头会向南,所以很快航天飞机或空间站就失去控制了,所以这是绝对不可能的。

记者:谁说的?

丁肇中:很多人说,这是很普通的现象,结果我们做了磁铁,让它不转。

多个国家的通力合作,造就了AMS,也就是阿尔法磁谱仪。1998年,“发现号”航天飞机载着AMS-01飞行10天,收集了100小时的数据,证明了太空探测高能粒子的可行性和优越性。丁肇中开始着手阿尔法磁谱仪AMS-02的宏伟计划:耗资20亿美元,由16个国家60个研究机构600位科学家共同参与,使用强大的超导磁铁,安装7个精密探测器,通过航天飞机安装到刚刚兴建的国际空间站上。

2011年5月16日,美国“奋进”号航天飞机携带着中国参与制造的阿尔法磁谱仪,从佛罗里达州肯尼迪航天中心发射升空。当阿尔法磁谱仪启动时,瀑布般的数据流瞬时传到欧洲核子研究中心。就是这些数据决定了丁肇中近20年的工作状态:时时刻刻关注着太空上的阿尔法磁谱仪。

记者:今天早晨您是几点起来的?

丁肇中:7点多钟。因为阿尔法磁谱仪在国际空间站上,绕着地球,每93分钟绕地球一次,速度很快,每一小时都不一样,所以每小时、每分钟都得有人看着,反应是什么?跟所有的人达成了协议,有任何重要的事情一定得告诉我,所以我最初没有了解,到了太空以后没有星期六、星期天,没有新年,没有圣诞节,随时随地都在假想,什么地方可能有错误?什么地方有误差?假使你知道的话,你可以把它处理一下,某一个仪器有错误你不知道那你结果就错了。

记者:这个阿尔法磁谱仪如果说从2011年开始算起,在空间站开始工作的话?

丁肇中:今年差不多正好是12年。

记者:这12年每天、每小时、每分钟都在回收着很多数据。对您来说,您是时时刻刻都在关注着它,还是就像您所说的遇到什么重要的事情您才关注。

丁肇中:时时刻刻关注。

记者:您说基础性研究要真的所谓的有用恐怕得三五十年,我们就从2011年开始算起,这个实验到了天上开始算起的话可能要做很久才能有结果,您就算活到120岁,也得有告别这个世界的那一天,您可能看不到结果了,那您觉得遗憾吗?

丁肇中:一点都不遗憾,比方说现在假使要到火星上去或者到月球上去,人一离开大气层以后,离开地球磁场以后,有很多的宇宙线。以前对宇宙线的测量是很简单的,结果我目前的发现宇宙线每小时、每天、每年都有很大变化,要是载人到火星上去长住,必须了解宇宙线是什么?这就是现在就可以用的知识。

记者:这是您回答外界给您提出来的“有什么用”一个最有说服力的回复?

丁肇中:我不需要说服力。

“所谓失败就是你结果是错的”

丁肇中:就我来说我的实验是我最重要的事情。我女儿和我儿子常常问我,整天白天晚上都在实验室里,我说因为我对这个很有兴趣。

记者:您这一辈子做实验没有失败过?

丁肇中:到现在还没有,不代表明天不会失败,不代表后天不会失败。

记者:失败意味着什么?

丁肇中:所谓失败就是你结果是错的。我跟我们所有同事一直说,我们的实验花了20年的时间,花了不少的经费和人力,大概今后二三十年不可能有人再做这样的实验,所以一定要做对。因为没有人可以直接验证我,一定影响物理的发展,所以有很多的结果到现在为止还没有发表,没有发表的原因就是我有怀疑,不是怀疑就是说觉得应该再仔细查一查。

“一个科学家要打破古人的观念,才能向前走”

从1977年开始,一直有中国科学家参与丁肇中的实验项目。在某次接受媒体采访时,他说他最看重的是科学家的想象力。

记者:您帮着中国培养一些物理学家?

丁肇中:不能说帮助中国,因为中国占世界人口1/5,一定有很好的科学家。

记者:事实证明是不是这样?

丁肇中:是。

记者:您刚才说最不一样的就是有想象力?

丁肇中:有想象力,不是普通的想象力,有和别人不同的想象力。

记者:它从哪儿来?这个东西我如果想培养的话,能培养出来吗?

丁肇中:对我个人来说可能我认识不少科学家,可能选择好的父母是很重要的原因,别的我就不知道了。

记者:读书能不能激发出自己的潜力来,想象力的潜力?

丁肇中:物理的进展是要打破前人书上的观念,我从很小的时候就和我父亲有不同的意见,我父亲常常说古圣先贤,这当然是非常重要的事情,可是从一个科学家来说,你要打破古人的观念,才能向前走。

记者:我只能说,一方面您是谦虚了;另外一方面真的羡慕您,您选择了一对好父母。谢谢您,祝您今天的科学之旅,很愉快,很顺利!

5月23日,完成《面对面》采访之后不久,丁肇中一行出现在位于地下700米深的江门中微子实验室,这是他此次中国之行的最后一站。即将在这里展开的实验,是人类在好奇心的驱动下,探究宇宙未解之谜的又一次努力,是基础研究和人类知识的再一次拓展。

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