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丁肇中:從物理實驗中獲得的體會
丁肇中:從物理實驗中獲得的體會
中科院物理所     阅读简体中文版

我向大家介紹的是我所經歷的實驗,講我所做的實驗,我的實驗包括兩種,第一種,探索宇宙中最基本的結構,另一種是尋找宇宙的起源,在國際空間站上。

我小時候在重慶長大,那個時候常常有日本飛機徘徊在上空,所以我沒有機會上學,同時,那個時候我對上學特別沒有興趣。今天,我們正享受著由人們對基礎學科的研究所帶來的成果,這里包括技術、通訊、計算機、交通、醫療等,這些大大提高了我們的生活質量。人們常常忘記為這些成果奠定基礎的科學家,這些科學家是出于對自然界的好奇,才開始的探索和研究。

這是一座由基礎研究轉變為應用技術的金字塔。100年前,最尖端的科學是光學、力學,現在被用在電視、無線電、航空航天工程;20世紀30年代,最尖端的科學就是量子力學和原子物理,當時所有人都不理解它的用處,現在被用在IT上;20世紀40年代最尖端的科學是原子核物理,現在被用在核聚變。從大距離方面看,20世紀30年代最尖端的科學,就是對太陽系的研究,現在被用在導航和定時上,金字塔不斷的增高,因為研究不斷擴大它的底部,基礎研究越來越走到角落,因為它遠離日常生活。

資料圖片

許多人認為,如果一個國家想要在技術和經濟方面有競爭力,它必須集中于能實際有市場效益的實用性技術的發展,并使經濟持續發展。從歷史的觀點來看,這觀點是錯誤的。如果一個社會將自己局限于技術轉化,顯然,經過一段時間,基礎研究不能發現新的知識和新的現象后,也就沒有什么可以轉化的。所以,技術的發展是生根于基礎研究之中。

實驗是自然科學的基礎,理論如果沒有實驗的證明,是沒有意義的。當實驗推翻了理論后,才可能創建新的理論,但理論不可能推翻實驗。

給大家介紹幾個我做的實驗。

  • 實驗1

很早以前,中國人就認為世界是由金木水火土構成的。到19世紀初,周期表被發現,當時所有人認為最簡單的東西是近一百個周期表上的元素,再后來就認為原子核是最基本的東西,到了20世紀70年代,我們又發現原子核里面幾百個基本粒子是最基本的,現在我們又知道6種夸克和3種電子是最基本的。所以,物理學的知識是隨著時間而變的。

1974年前物理學界認為,宇宙最基本的結構是三種夸克,我就問,為什么只有三種夸克?為了尋找新夸克,70年代初我設計了一個實驗,實驗要求精確度是極高的,相當于在北京下雨時,每秒鐘有100億個雨滴,如果有一個雨滴是不一樣的,必須在一秒鐘之內找出來。當時,大家都相信只有三種夸克,這三種夸克已經可以解釋所有已知的物理現象,所以,我設計的這個麻煩實驗不受物理學界歡迎。而1972年,美國的布魯凱文實驗室接受了我們的實驗,為了從100億個已知粒子中找到一個新粒子,這個實驗,必須每秒鐘輸入100億高能量的質子到探測器上,在這么多的質子輸入探測器所產生的放射線會徹底破壞探測器,對工作人員也是非常危險的。因此,必須發展全新的,精確的,在非常強的放射線下能正常工作的全部儀器,也必須設計安全的屏蔽系統。為了保護人,先用5噸的鈾,100噸的鉛,然后用10000噸的水泥,把這些放射性去掉。最后用了肥皂,因為含水最多,所以用了5噸肥皂吸收了中子。開始向美國政府請求經費買5噸的肥皂,后來麻省理工學院說,不用美國政府出,由麻省理工學院出。正是這么多屏蔽,一個小時以后,輻射區的放射能量為5倫琴/小時,還是非常非常危險的。

兩年以后,我們果然發現了一種新的粒子,它有一種特殊現象,壽命比已知的粒子長10000倍。新的粒子發現以后,很快同樣壽命的粒子也被發現,它的重要性類似于我們發現一個偏僻的村子里所有的人不是一百歲,而是一百萬歲。新粒子的發現,證明了宇宙中有新的物質存在,它們是由新的夸克組成的,所以我們把它命名為J粒子。J粒子的發現,改變了物理學家長期認為世界上只有三種夸克的觀念,改變了人類對于物質基本結構的認識。繼J粒子之后,人們又找到了新的粒子,現在我們已經知道,世界上至少存在6種不同的夸克。這個實驗的發現讓我拿到了諾貝爾獎。

拿到諾貝爾獎以后,我就跟瑞典皇家科學院說,諾貝爾獎一百年了,從來沒有人用中文,所以我要用中文作報告,當時美國大使來找我說:你出生在美國,為什么用中文?我說:中國是世界上最古老的文明,所以我要用中文。這是我當時說的。得到諾貝爾獎,是一個科學家最大的榮譽,我是在舊中國長大的,因此想借這個機會向在發展中國家的青年強調實驗工作的重要性。中國有一句古話,勞心者治人,勞力者治于人,這種落后的思想,對在發展中國家的青年們有很大的害處。事實上自然科學理論不能離開實驗的基礎,特別是物理學就是從實驗產生的。

我的第一點體會,做事情要對自己有信心,做你認為正確的事,不要怕困難,更不要因為多數人的反對而改變。

  • 實驗2

1979年,膠子的發現。19778月,鄧小平建議每年派10位科學家參加我的工作,從那時候到現在,大概有上千個中國科學家到我這里工作過,包括很多的院士。

20世紀70年代德國有一個很大的加速器,是300億電子伏的電子對撞機,周長是7公里,我的目的就是測量電子的半徑。結果發現一個很重要的東西,叫膠子。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,宇宙中物質之間被發現存在引力,但到現在為止沒有人知道引力是怎么回事。電磁力是由光來傳輸的,強力就是由膠子來傳輸的。27名中國科學家參加了這次主要的實驗,這是非常重要的貢獻。

第二點體會,這個實驗原來的目標是測量電子的半徑,所以做基礎研究對意料之外的現象要有充分的準備,

  • 實驗3

在西歐核子中心一個叫CERN的實驗。西歐核子中心有一個周長27公里的加速器,這里最重要的發現就是互聯網。剛才已經說過了,第一個問題,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?開始都認為只有3種,后來發現錯了,現在有6種。夸克有多大?夸克能不能再分成更小的粒子?

所以我們用的是1000億電子伏的電子和1000億電子伏的正電子對撞,產生很高的溫度,是太陽表面4千億倍的溫度。我的實驗就是在實驗室里制造宇宙大爆炸最開始的情況。這個實驗是很大的,從上到下大概六層樓高,磁鐵重1萬噸,里面有300噸的鈾是來自蘇聯。

資料圖片

這個實驗是首次由美國、蘇聯、中國、歐洲等19個國家的600名科學家共同參加的大型國際合作,中國最主要的貢獻就是上海硅酸鹽所生產的BGO晶體,BGO是透明的,但是重量和不銹鋼一樣。當時世界的年產量只有4公斤,我們需要12噸,這個問題后來被硅酸鹽所解決了,那時候我經常到上海來。BGO等于透明的不銹鋼,現在被廣泛用于世界的醫學以及工業。這個實驗共發表了300篇文章,有300人獲博士學位。這300篇文章的基本觀念非常簡單,第一,我們知道宇宙中只有三種不同的電子,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17次方厘米。

第三點體會,要領導和主持一個大型國際科學合作,最主要的是選擇科學上最重要的題目,引起參加國科學家最大的興趣。對貢獻大的科學家,要有優先的認可,并使之得到供給上的公認。這樣才能得到參加國政府長期的優先支持。

  • 實驗4

再講一下我現在做什么,就是尋找宇宙的起源。國際空間站上的AMS實驗,研究宇宙以前的情形,最主要是光,這方面最重要的記錄是1054年中國天文學家觀測到的超新星。這是從哈勃望遠鏡看到兩個星系碰撞,一個星系就被另外一個星系吃掉了。

所以在國際空間站上的基礎科學研究中,第一,有兩種宇宙射線,一個是光,我們已經研究幾百年了,例如哈勃望遠鏡的研究發現;現在除了光以外,還有帶電的宇宙射線,因為帶電,就一定有質量,因為帶電就必須有磁場。AMS放置在國際空間站上,長時間的測量高能帶電的宇宙射線。這是首次由美國、中國、俄羅斯、芬蘭、法國、德國、意大利、瑞士等16個國家和地區在空間領域合作的實驗,有60個大學和研究所、600多位科學家共同參與。

因為從來沒有人把磁體放在身上,所以美國的宇航局就說,我怎么知道你做的事情是對的,你先把磁體放在航天飛機上飛行十天。我們中國科學院電工所、航天部一院、MIT研制的磁體克服了磁體在太空使用的基本困難。這個實驗的成功,獲得了1998年世界十大科技新聞,就是阿爾法磁譜儀首次升空運行正常,62日,裝有中國制造的巨大永磁體的阿爾法磁譜儀首次搭乘美國發現號航天飛機升空。

成功之后,我們就開始準備第二個實驗,2005年,美國有一架航天飛機失事,美國宇航局就說再也不用航天飛機做實驗了,把所有的實驗都取消,唯一不同意這個決定的就是我,我說你這個決定是錯誤的,花了1000億美金,一次失事就取消所有的實驗是不明智的,后來到2008年,美國參議院、眾議院全體通過了一個法律,指示宇航局為我們增加一班航天飛機,把AMS送入國際空間站。因為是全體通過,總統就不能否決,雖然布什總統不贊同,但是也不得不簽署這個法律。到2008年,奧巴馬競選總統的時候,他也贊成國會增加至少一次的航天飛機航班用于有價值的任務。

被送上太空的儀器體積5×4×3米,重7.5噸。這是首次在太空中進行的大型精密物理實驗,最重要的是,所有的探測器都是我們自己發展的新技術,從來沒有人做過,絕大多數人認為這是不可能的。

穿越輻射探測器主要來自德國,美國和意大利參與,它的主要任務是分辨正電子和負電子。硅微條探測器共9層,有20萬個電子信號通道,坐標精確度10微米,中山大學也有重要貢獻。環形切倫科夫服探測器,分辨原子核,測量它的能量,有11000個光電倍增管。電磁量能器,5萬根直徑為1毫米的光線,均勻分布在600公斤的鉛中。做完了以后,儀器送到天上是正確的,送上天以前,我們就放在周長27公里的加速器里,模擬所有的宇宙線,進行長期的測量。測量之后,離發射的時間已經很近了,原來我們想用一架德國航空公司的波音747運輸機,但必須把我們的儀器分成兩份,后來我考慮了一下,用20萬條電子信號通道,分成兩份,有一定的危險,所以我就借了一個C5運輸機在肯尼迪航天中心降落,就在空間站處理中心停了五六個月,然后送到發射臺上。在肯尼迪航天中心最主要的一個任務,就是讓我們的儀器與比例相同的空間站做接軌的實驗,表示到了太空能裝進去,如果裝不進去就比較困難了。

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起飛前幾天,我要求發射臺里所有的工作人員和工程師及警衛人員都離開我遠一點,過了很久的時間,我單獨地想了想,想了好幾個鐘頭:在過去的16年,很多國家一起合作,每一個重要決定我都想了,有沒有錯誤的決定,有沒有值得懷疑的地方,如果不能肯定萬無一失,就不能讓它起飛。我坐了很久,沒有想出錯誤,就離開了。我離開以后,他們就開始讓這6個宇航員到發射臺上。2011516日上午,航天飛機為送7.5噸離地面700公里的地方需要的燃料起飛,航天飛機的重量是110噸,外掛的氫和氧756噸,兩個固定火箭是1142噸,總共是2008噸。

國際空間站每90分鐘繞地球一周,速度是每小時2萬公里,45分鐘在白天,零上40度,45分鐘在夜晚,零下20攝氏度,白天的時候,輻射板反射太陽能,太陽能板遮蔽太陽能,所以每90分鐘,溫度的變化非常大。

向大家介紹一兩個最新的結果,大家千萬記住,物理上的基本原理非常重要,升空到現在,我們收到540億個宇宙線數據,這大大多于過去100年全世界搜集到的宇宙線的總和。在未來20年,我們會搜集到3000億個數據,這將提供前所未有的精度,以探索宇宙。

第一個目標,尋找宇宙中的暗物質,宇宙中90%的物質是看不見的,因為看不見,我們叫它暗物質。宇宙線包括質子、電子、氦,這些射線碰撞的時候會產生能量,會變成質量,會產生正電子,暗物質,我們叫作中性微子,碰撞的時候會產生額外的正電子。這些額外的正電子,都會被我們精確地測量到。

到底找到暗物質沒有?現在已探測到的五種結果都和暗物質有關,唯一還沒有確定的是下降時間,下降得很快,一定是暗物質。

另外一個目標是尋找由反物質所組成的宇宙,如果宇宙起源于大爆炸,爆炸之前是真空,真空里不存在任何東西,所以大爆炸之后應該有同樣數量物質與反物質。

要找反物質,在空間,一定要把地面上周期表的元素找出來,現在周期表上的元素都找出來了。宇宙是最廣闊的實驗室,宇宙線的能量高于任何加速器,宇宙中的反物質和暗物質是近代物理學的基礎。這是唯一在太空中進行實驗的儀器。我個人認為,我們最重要的目標是探測未知,探索自然界的存在,探索我們無法想象也無法發現的事實。因此,專家評審并不是絕對有用的,因為專家評審要依靠現有的知識。

最后一個體會,自然科學的研究是具有競爭性的,只有第一,沒有第二,沒有人知道是誰第二個發現相對論。

(來源:光明日報)

2015-08-23 08:44

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