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丁肇中的科學之路
丁肇中的科學之路
中科院物理所     阅读简体中文版

1974年,著名美籍華裔物理學家丁肇中,在美國的布魯克海文國家實驗所,進行了一項大膽的、復雜得令人眼花繚亂的實驗,他發現了一種人們以前完全沒有預料到的粒子——j粒子。

  當時,新聞界有一個誤會:以為j粒子就是“丁粒子”,是丁肇中以姓氏來命名的。其實,這純屬巧合。丁肇中的本意是,想用這個粒子來紀念他們在探索電磁流性質方面,花了10年時間才獲得的這項重要新發現。加之物理文獻中習慣用j來表示電磁流,因此,丁肇中便以拉丁字母“j”來命名這個新粒子。

  丁肇中的發現,改寫了相沿成習數百年的教科書,給亞粒子世界重繪了一幅嶄新的圖畫。

  美國發行量很大的《新聞周刊》,為此撰文評介道:“這是基本粒子科學的重大突破,對于近半個世紀以來,物理學家努力尋求解析自然界的基本結構,具有重大的意義和貢獻。”

  馬薩諸塞理工學院院長杰米韋森,為自己學院的科學家做出了如此重大的貢獻而感到自豪。他對新聞界評述道:“丁教授的研究,已為人類開拓了宇宙未知的領域,并使基本粒子物理學邁進了一個新的境界。”

  1975年2月14日,當時的美國總統福特也發來了賀電:“得知你們發現了新的、壽命更長的重粒子,我深感興趣。在此,我謹代表美國人民,祝賀你和你的同事致力于此項重大發現的努力和貢獻。”

  由于發現了j粒子,許多物理學家便把“j以前”和“j以后”作為區分歷史時代的標志。j粒子發現兩年之后,丁肇中便榮獲了1976年度的諾貝爾科學獎金,那年他僅四十歲。

  起點

  1936年2月27日,丁肇中出生在美國密執安州安阿伯鎮。他的中學時代在臺灣度過。他的數學、物理成績優異,對歷史學也很有興趣。

  1956年8月底,丁肇中只身一人到美國安阿伯市的密執安大學留學。在大學里,他廢寢忘食,埋頭書齋,圖書館一實驗室一食堂一宿舍,是他生活的軌跡。盡管美國大學里課余生活豐富多彩,卻很少看到丁肇中的身影。同學們嘲諷他:塞繆爾(sarnuel是丁肇中的美國名字)真是個怪人,學習頂呱呱,可惜不合群。

  在學習上,丁肇中并不滿足于幾本教科書以及教師指定的參考書,他決心系統地、深入地搞清整個近代物理學的來龍去脈,及時地、廣泛地了解近代物理學的最新成就和發展趨勢。他饒有興趣地研究物理學大師們的經典著作,博覽物理學期刊。

  盡管丁肇中剛去美國時,口袋里只有100美元,而且舉目無親,英語也不太純熟,但經三年努力之后,他獲得了數學及物理學碩士學位。過了兩年之后,他又榮獲了物理學博士學位。

  這時,丁肇中再次面臨人生道路上的重大選擇:是繼續從事科學研究呢,還是經商、教學?跟丁肇中一塊的臺灣省美國留學的同學中,有的準備帶著文憑回臺灣,求個一官半職,也有的打算繼承家業做買賣。丁肇中對升官發財沒有興趣,決定留在美國繼續從事物理學研究,把自己的命運同方興未艾的高能物理研究牢牢地拴在一起。

  選擇

  翻開物理學史,我們不難發現:物理學的發展猶如長江、黃河之水,后浪推前浪,滾滾東流。

  17世紀,英國偉大的物理學家牛頓抓住了機械運動最本質的規律,建立了萬有引力的理論;19世紀,麥克斯韋把零散的電磁現象加以歸納提煉,建立了電磁理論。這兩種宏觀的、長程的相互作用力,易于被人們觀測和認識,但人們又發現這兩種理論存在著矛盾。1915年,愛因斯坦提出的廣義相對論和20世紀30年代出現的量子力學,彌補了上述兩種理論的不足,形成了“量子電動力學”。

  隨著科學的發展,在微觀世界的研究中,又提出了許多新課題:在宇宙線里和高能加速器中,相繼發現了一大批“基本粒子”,難以用經典物理學來解釋。這些“基本粒子”令人眼花繚亂,難以理出頭緒。

  在世界各國科學家的共同努力下,人們把原子中的各種粒子分成“輕子”和“強子”兩大類。然而“強子”又可以再分割。那么,究竟是什么構成物質的真正“基本粒子”呢?弱相互作用(作用于所有強子、弱子)和強相互作用(僅僅作用于強子)究竟是怎么一回事?這兩種相互作用同萬有引力以及電磁作用四者之間,又是一種怎樣的關系呢?

  1963年,青年科學家蓋爾·曼提出“夸克”論。中國大陸的一些高能物理學家在此時期提出了“層子”學說,內容與“夸克”不謀而合。蓋爾·曼設想強子是由上、下、奇3種“夸克”的不同組合構成的。

  丁肇中通覽了物理學發展史后,看清了自己要走的路。對于他來說,近代物理學就像是一個大旋渦,其中心部分就是實驗高能物理學。越接近這個旋渦的中心吸引力就越大,丁肇中就越離不開它。

  于是,丁肇中帶著這些問題,在瑞士、德國、美國反復做實驗,悉心研究。

  發現

  1972年,丁肇中向布魯克海文國立實驗所提出了尋找新粒子的計劃。由于這一實驗費用多、難度大,所以,他的計劃一出臺,便受到來自各方面的批評和責難。

  “即使丁肇中的實驗能夠搞起來,也沒有什么價值。在丁肇中計劃實驗能量區域內,新的長壽命的重粒子是根本不存在的,這是一般教科書上的常識。”一位著名的物理學家這樣斷言。

  “丁肇中的實驗純屬勞民傷財,在他那個實驗能量區域內,即使有什么新的粒子出現,也不過是些寬度很大的粒子。”又一位權威的物理學家給他潑冷水。

  翻開科學史,研究一下那些給人類以光明和智慧的盜火者們所經歷的磨難,你就不得不承認:對于人才來說,逆境往往如同命運之神特意安排的一段里程那樣,苛刻地檢驗著每個立志有所作為的人,檢驗著他們成才的勇氣、信心和素質。

  對于來自各方面的非難,丁肇中毫不示弱。他對那些權威們說:“先生,這不是不懂常識的問題,而是要靠事實來回答的問題。什么叫常識?常識就是不經證明而常常引用的知識。一個人不可不懂常識,但是過分迷信常識的科學家,往往就會錯過一些重大發現的機會。”

  丁肇中堅信自己的預見,決心向常識挑戰。他再三告訴自己的實驗組成員:“不要管反對意見是多么不可一世,決不要放棄自己的科學觀點,要毫不膽怯地迎接挑戰,要始終堅持對我的科學觀點的探求。”

  事實證明丁肇中的觀點是對的。j粒子的發現,在當時物理學界掀起了軒然大波。這件意料不到的事,使實驗物理學家和理論物理學家都大為驚異:現有的基本粒子理論中出了一個大漏洞,為什么先前沒有預料到它的存在呢?此刻,那些曾經嘲諷、攻擊過丁肇中的權威們,在事實面前,也只好認輸了。

  心聲

  按照慣例,在諾貝爾獎授獎儀式上,獲獎者要用本國語言發表演講。丁肇中是美籍華裔,因此,在授獎典禮上,他必須用美國語言——英語發表演講,以前的美籍華裔諾貝爾獎獲得者都無法打破這一貫例。

  但丁肇中認為自己是中國人的后代,只不過是在美國的土地上出生而已。他決心實現自己的愿望:讓中華之聲響徹諾日爾獎授獎大廳。

  于是,他向瑞典皇家科學院請求:在授獎儀式的即席演講中,先用中文講,后用英文復述。

  當時的美國政府得知此事后,曾竭力阻撓。但丁肇中堅持己見的性格促使他去據理力爭,終于獲準。

  1976年12月10日下午4時許,在瑞典首都斯德哥爾摩音樂廳內,丁肇中跟其他諾貝爾獎獲得者一道,在受獎席上就座。他抬眼望去,只見主席臺前,大廳兩側都擺滿了鮮花,好像絢麗的彩霞落到了人間;能容納2000余名觀眾的大廳內,坐滿了外國來賓、瑞典社會名流;大廳門口,擠滿了頭戴白幅、手持彩旗的大學生組成的歡迎隊伍。

  軍樂隊奏起了瑞典王室音樂,典禮開始了。

  諾貝爾獎基金會主席簡要地介紹了丁肇中的貢獻后,在莊重、悅耳的王室音樂中,丁肇中精神抖擻地走到講臺中央擴音器前,用流利的漢語講道:

  國王、王后陛下、皇族們,各位朋友:

  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,想借這個機會向發展中國家的青年們強調實驗工作的重要性。

  中國有句古話“勞心者治人,勞力者治于人”,這種落后的思想,對發展中國家的青年們有很大的害處。由于這種思想,很多發展中國家的學生都傾向于理論的研究,而避免實驗工作。

  事實上,自然科學理論不能離開實驗的基礎,特別是物理學更是從實驗中產生的。

  我希望由于我這次得獎,能夠喚起發展中國家的學生們的興趣,而注意實驗工作的重要性。

  大廳里回蕩著丁肇中那渾厚的聲音,他是在用漢語作激動人心的演講。自諾貝爾獎1901年問世以來,在500多位獲獎人中,繼李政道后又一個用中國人民的主要語言——漢語在這里發表演講。臺下2000多位來賓,并沒有因為聽不懂漢語而不滿,恰恰相反,大家都在全神貫注地聽著,而且對這位杰出的中年物理學家更增加了敬佩之情。

  此刻,坐在主席臺上的一位白發蒼蒼的中國老人,禁不住熱淚盈眶,他就是丁肇中的父親丁觀海。他是專程從臺灣趕來瑞典參加兒子受獎儀式的中國老工程學者。

  丁肇中在諾貝爾獎頒獎儀式上,如愿以償地抒發了作為中華民族后代的自豪感。此情此景,令當時的每一個中國人激情澎湃,永生難忘。

  這短短200來字的講演,令人耳目一新,卻又言簡意賅:它既包含了丁肇中二三十年來對人生、對科學的真知灼見,又包含了他對中華民族、祖國母親的赤子深情。無怪乎丁肇中話音剛落,全場便響起了雷鳴般的掌聲。

  奮斗

  200多年前,物理學的偉大鼻祖牛頓說過:“我不知道后人怎樣看我,但在我看來,我只是像一個在沙灘上玩耍的男孩,一會兒找到顆特別光滑的卵石,一會兒發現一只異常美麗的蚌殼,就這樣使自己玩樂消遣;而與此同時,在我眼前的真理的汪洋大海,我尚未認識,尚未發現。”

  那還是在諾貝爾獎授獎會的當天晚上,在歡聲笑語、燈光輝煌的瑞典首都斯德哥爾摩都會大廳內,在人們頻頻舉杯和祝賀聲中,丁肇中謙遜地說:“j粒子也不過是真理大海海灘邊一顆光滑的卵石罷了。”他在接受大眾的歡呼之際,更體驗到了牛頓這段名言的真諦。

  是的,j粒子把丁肇中帶上了榮譽的頂峰,但并不意味著他已經到了科學事業的至高點。世上還有眾多奧秘有待于人們去揭示,還有無數的真理有待于人們去認識,丁肇中認識到自己任重而道遠,一個又一個的科學堡壘等待自己去攻克。

   近年來,丁肇中率領實驗小組,在德國漢堡的電子同步加速器中心的佩特拉正負電子對撞機上做實驗,尋找把“夸克”結合在一起的物質——膠子存在的證據;在瑞士日內瓦“萊普”正負電子對撞機上作實驗,尋找第六個“夸克”——“頂夸克”(七)、中間玻色子等新粒子。他還要尋找自然界的4種力(萬有引力、電磁力、弱力和強力)之間存在聯系的實驗證據。他為自己確定了艱巨的道路,并將堅定地走下去。

  鄉情

  身在大洋彼岸的丁肇中,心中卻常惦記中國的親友和故鄉。

  1977年8月,十年動亂結束了,中國各條戰線都在撥亂反正。我國有關部門準備大力發展高能物理,而這又急需一批實驗人才。為此,中國科學院高能物理研究所邀請丁肇中來華訪問。接到來自祖國的邀請,丁肇中立即放下手中緊張的科研工作,啟程回國,去為父母之邦的振興貢獻一份力量。

  丁教授與中國科學院院長方毅、副院長吳有訓進行了會談,具體討論了中國科學技術的發展問題,決定實現中美科學技術史上的首次大規模合作——由中國科學院選派最有培養前途的青年物理學家參加丁肇中領導的高能物理研究工作。會談的結果,使丁教授十分興奮,他激動地說:“我這次來中國參觀,看到大家很有干勁,都想把科學技術搞上去。我相信,中國這么大,人口這么多,搞科研的歷史這么久,一定會出人才,會很快趕上世界科學先進水平的。”

  5個月之后,27位平均年齡不到四十歲的中國年輕的物理學工作者,遠涉重洋,來到了位于德國漢堡的電子同步加速器研究中心,參加丁肇中教授領導的馬克一杰實驗小組的科研工作。

  這27位中國物理學工作者,大多是從低能物理轉過來的“新兵”,對高能物理的實驗尚未入門,英語又未過關,可以說,一切都還得從頭學起。而且,他們對實驗室的緊張工作又不適應:每天要做十幾個鐘頭的實驗,既沒有午休,又無周日。因為丁肇中領導的這個實驗小組,比起其它實驗小組要晚一年多時間才開始,因此要求全組人員要在不到10個月的時間內完成兩年工作量。

  丁教授了解到中國物理學工作者的困難后,立即采取了一系列措施:起初,將中國科學家跟外國科學家混編在一起,以便于中國同事更好地學技術、學外語,經過一段時間之后,再把中國同事抽出來單獨分配任務,在真刀真槍的實干中培養他們獨立工作的能力。

  丁教授現身說法,以自己發現j粒子的過程來教育大家:“我做了10年矢量介子實驗,才從上百億個各種各樣的粒子中找到了一個j粒子。這就好像在北方地區下了一場傾盆大雨,我從無數雨點中辨認出一個帶顏色的雨點那樣困難,不能允許有絲毫的松懈和馬虎。”

  在丁教授的具體指導下,中國物理學工作者牢記祖國的囑托,面對困難,毫不氣餒,更不退縮,咬緊牙關,迎著困難上。為了盡快掌握計算機程序的設計方法,他們甚至連趕路、吃飯時也在思考琢磨問題。夜深人靜,外國科學家早已進入了夢鄉,而同樣緊張工作了一天的中國物理學工作者,拖著疲憊的身體,還在一遍遍地演算、練習著。

  功夫不負有心人。多少個不眠之夜過去了,中國科學工作者硬是憑著為科學獻身的精神,用不到半年的時間,就基本上闖過了“語言關”;用兩三個月的時間,就會操作每秒鐘運轉幾百萬次的大型計算機,能獨立工作了。

  在中外物理學工作者的共同努力下,丁肇中領導的實驗小組,第一批數據就得到了446個強子事例,這一實驗結果比其他組幾乎多了一倍。

  1979年9月,丁肇中來華進行科學講學和學術交流,在與我國著名科學家錢三強會談時,丁教授對中國選派的青年物理工作者的工作給予了很高的評價:“我個人的印象是,中國物理學工作者是勤奮的,富有創造力的,他們在實驗的各個方面都作出了重要貢獻。要是沒有中國物理學工作者的努力,我們的工作不可能做得像現在這樣好。”

  這27名中國年輕物理學工作者回國后,已成為我國高能物理研究領域的骨干、帶頭人。而且,在丁教授的具體指導下,一座大型的高能加速器——正負電子對撞機在北京西北郊建成了。這座由鄧小平同志題名奠基的“中國科學院高能物理研究所北京正負電子對撞機國家實驗室”,正在為我國科學研究和經濟建設服務。

  1982年農歷大年初一晚上,丁肇中夫婦應邀來到紐約市銀宮酒樓,跟旅美華僑、美籍華人一道歡度中國人的傳統節日——春節。會上,華人協會代表給丁肇中頒發了“最杰出人物”獎狀,以表彰他杰出的科技成果榮獲了諾貝爾獎,為中國人爭得了最高榮譽。

  在頒獎會上,丁肇中激動地說道:“這不僅是給我個人的榮譽,也是對科學探索和發現精神的獎勵,這種精神鼓舞我努力去認識物質世界,發現大自然的奧秘。”

  2月15日,北京。中國黨和政府領導人在中南海接見了他。頤年堂里,中國領導人感謝丁肇中為發展中國的科學事業做出的貢獻,希望中外科學家團結協作,廣泛開展國際性的科技交流,共同為造福人類作出貢獻。

  丁教授表示:“我很樂意為中國的科學現代化貢獻我的一份力量。我熱切希望中國年輕一代能迅速成長,能出現一批真正的‘科學巨人’”。

  1982年春節過后,丁肇中來到中國合肥,愉快地接受了中國科學技術大學名譽教授的聘書。隨后興致勃勃地與該校的少年大學生們進行了交談,以啟發他們的思路,開闊他們的視野。他說:

  “我一生所學的可以歸納為:準確選擇自己感興趣的一個學科,透徹地理解它,摒棄一般流行見解,堅持自己的科學觀點。對自己的成就要有所懷疑,十分仔細地去進行驗證自己的工作。比如,當我們實驗小組發現了新的重粒子(j粒子)之后,我要求實驗小組成員對外界絕對保密,必須再次核實這個實驗,一定要做到萬無一失。越是重大的發現,越是要慎重、周密。于是,我們用了兩套截然不同的方法來檢驗新粒子,兩組人員,兩種步驟,兩組數據……終于得到完全相同的結論后,我才對新聞界發布消息。我認為:只要你肯干,肯自強,一個普通人也可以有偉大的成就。”

  丁肇中教授還回答了少年大學生關于“治學方法”的提問。他說:“一般中國學生在美國大學里,考試成績很好,可是出了校門去做研究題目,并不是特別超越于其它國家的學生。我想,造成這樣后果的主要原因就是中國學生喜歡背書,喜歡死記。須知從事科研工作以后,背書和死記就沒有用了。我認為,一個中學生如果對自然科學有興趣,就應該徹底了解書本上、課題上所說的東西與課外自然現象之間有什么聯系,而不要完全背書,死記公式,須知死記公式、完全背書是沒有多大用處的。”

  丁教授又來到科大教師中間,與他們進行了座談。他說:“有些教授喜歡把研究生留上七八年,我認為這樣做不好。因為一個學生從任何一個人那里學到的東西都很有限。所以,我讓學生在我這里學習兩年就畢業,兩年時間已足夠了。況且學無止境,學生畢業之后難道就不需要繼續學習了嗎?”

  在與科研人員座談時,丁教授深有體會地說:“作為一個科學家,最重要的是不斷探尋教科書之外的事,對該學科有更深入一層的理解,有能力去獨立思考各種物理現象的本質,面對占壓倒優勢的反對意見,要毫不膽怯地迎接挑戰。”

  近年來,丁肇中更是熱心于祖國高能物理人才的培養,經常回中國講學,并選拔國內的優秀人員到他的實驗組工作。他還被聘為中國科學院高能物理研究所學術委員會委員。

  境界

  丁教授是一位非常珍惜時間的人。以前,由于他在麻省理工學院、德國漢堡、瑞士日內瓦都有實驗室,而家在美國,他幾乎每兩星期就要飛越一次大西洋。為了便于適應時差,他每天清晨5點多鐘便起床,深夜才就寢。每天的日程都排得很滿。正因為如此,他的孩子們抱怨老是見不到爸爸。近年來他轉移到日內瓦附近工作。為了不與家人太疏遠,已舉家搬到瑞士。但這已太遲了。因為小孩都已長大,有自己的事業和學業。爸爸想見他們反而又見不著了。

  他對工作歷來一絲不茍,從不馬馬虎虎。他非常討厭懶散拖拉的作風。在他身邊工作,稍有松懈,就會遭到他嚴肅的批評。有些人開始對此不大習慣,但過了一段時間之后,絕大多數人都為此而高興,因為這種戰斗作風是科學工作者取得成績的基本條件之一,更何況他對自己也是同樣嚴格要求的。他常常因工作忙而不能回家。他多少次想去訪問祖籍山東省日照市,可是因為工作的需要,一推再推,迄今未能如愿。

  丁教授知識淵博而又精力充沛。他每天要埋頭在實驗室里十幾個小時,但精細而又枯燥的實驗并沒有弄皺他的面龐,染白他的頭發。他說:“我完全靠工作來激發充沛的精力,工作就是我的興趣,興趣使我不會疲倦。”他成為著名科學家,仍謙虛好學,不恥下問,這是十分難得的。

  他對生活非常熱愛。有一次,當記者問他時,他笑嘻嘻地說:“我不是沒有嗜好,我最愛吃中國的美食。在歐美常有中國食品,但我從沒有吃過像香港和國內那么好的。”

  在瑞士日內瓦高能物理加速器那龐大的裝置中,丁肇中要模擬地天初開時的一剎那:宇宙爆炸、星際間布滿熾熱星塵,他要研究此刻的地質結構變化和物質間的相互作用。這一實驗的費用由13個國家聯合負担。光在這個研究小組里,就有400多位優秀的高能物理學家,還有1000多位工程技術人員。丁肇中要在理想的環境中,將約十億伏特的電子輸入粒子加速器,再和同樣高壓的反電子對撞。電光石火在一億分之一秒內撞擊,足以產生驚天動地的變化,發出的高溫相當于太陽表面溫度的幾百億倍,完全是宇宙開始的條件。預料這一實驗結果公布后,將是粒子物理學上的又一驚人發現。


作者:桂峰

來源:學科網

2015-08-23 08:49

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