您的位置:美高梅集团 > 数理科学 > 丁肇中谈实验物理

丁肇中谈实验物理

2019-11-02 05:02

丁肇中20岁时只身赴美留学,1962年获得物理学博士学位,选定实验物理为主攻方向?他常说:“中国人的才能?智慧,不在任何国家的人之下?中国人要对自己的民族?国家充满信心?”

去年的5月15日,在诺贝尔奖获得者丁肇中的主持下,七吨重的阿尔法磁谱仪2号,随着“奋进号”飞向了国际空间站。“其实你们都不知道,发射前我独自坐了很久,放电影般从每个环节开始回忆,直到确定万无一失,我浑身冰凉,我很紧张。”今天下午,这位头顶众多“光环”的矍铄老人走进东南大学,用他实验物理中的五个实验,剖析了科学研究中的深刻道理。 与人文社会学教授侃侃而谈的风格迥异,丁肇中教授更爱用一个个记录他实验过程、经历、以及成果的图像,给现场学子以更直观的感受。物理实验凝聚了丁先生毕生的心血,但在演讲中看不到他的任何浮夸,所有陈述精炼而严谨。 硅微条探测器、环形计数器……这些实验物理中专业词语频繁出现在丁肇中的讲座中,测量电子的半径、胶子的发现、国际空间站上的AMS实验等五个具体实验,也贯穿丁教授授课始终。 做科学切勿盲从专家理论 众所周知,实验是自然科学的基础,理论如未经实验的证明是没有任何意义可言。当实验推翻了理论后,才可能创建新的理论。“过去的400年,我们对物质结构的基本了解,大部分来源于实验物理,”丁教授清楚实验物理的重要性。1964年哈佛大学和康奈尔大学的专家团做了两个不同的实验得出相反的结果:量子电动力学是错误的,电子是有体积的。“因为这是关于物理基本概念的实验,所以我决定用不同方法来测量电子半径,那时我资历尚浅,没人支持我,”随后丁肇中依毅然放弃了美国大学的前途,前往德国花费了八个月做实验。“实验告诉我,量子电动力学是正确的,电子是没有体积的,” 在丁肇中心里,实验的结果说明一切。大家都相信只有三种夸克,没人设想并实验过还有更多的夸克存在,但丁肇中和他的团队经历两年的研究实验,发现了一种新的粒子,证明宇宙中存在由新的夸克组成的物质。这种名为“J粒子”的发现,不但改变了物理学界长期认为世界上只有三种夸克的概念,更是助力丁肇中登上了诺贝尔奖的舞台。从遭遇多数科学家的反对到登顶诺贝尔奖,从孑然一身到光环笼罩,丁肇中教授以他谦虚谨慎的治学态度,给学子们树立了典范,“原谅别人的错误,在求实的科学道路上,同样不可或缺”。 善于合作,借能人一把力 “在欧洲中心的L3实验面临着诸如电子的数量,夸克的数量以及能否再分成更小的粒子问题,”丁肇中坦言。L3实验是首次美国、前苏联、中国、欧洲等19个国际的600名科学家共同参加的大型国际合作。用于实验的BGO晶体当年世界产量只4公斤,而需要用于实验的数量是12吨。“上海硅酸盐所积极提供了所需晶体,而现今他们的产品已被广泛用于工业以及医学领域”丁肇中表示。说起早期的合作者,丁教授如数家珍。在此次实验中丁教授合作者共发表了300多篇文章,300人获得了博士学位。“对贡献大的科学家,要有优先认可,并使之得到国际上的公认,”丁肇中始终秉承这一信念。

丁肇中教授说:“我的第一点体会是:不要盲从专家的结论?因为在我没有做实验以前,都是世界级的专家在做这个实验?”

从100亿个雨滴中找一个红雨滴

1979年9月,美国《纽约时报》头版消息报道了丁肇中发现胶子的消息?值得关注的是,中国科学院高能物理研究所唐孝威等27名中国科学家参加了这项实验研究?在有关核粒子的国际合作研究项目史上,这是第一次?这是中国的一大贡献?

第三个实验中得出的第三点体会是:做科学研究对意料之外的现象要有充分准备?

丁肇中1936年1月生于美国,3个月大时随父母回到中国?他的外祖父王以成早年追随孙中山,在辛亥革命中牺牲?母亲王隽英是丁肇中最爱戴的人,1960年病逝于美国,临终前留下遗言:“爱祖国,爱科学,双爱双荣?”

这一大胆设想,十多年前由丁肇中提出?1998年6月2日,AMS-O1号搭载美国“发现号”航天飞机升入太空,完成了10天运行?丁肇中激动地说:“航天飞行中发现了外太空中许多想象不到的现象?例如在靠近赤道的地区,正电子的数量为电子的4倍?”AMS-02号计划于2007年由美国航天飞机送入国际空间站,运行3~5年?

丁教授曾经多次见到邓小平?特别值得一提的是,1984年10月,邓小平还特别安排丁教授的父亲从台湾秘密取道日本访问北京?丁教授回忆道:“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?他们家共有5个人学习物理!在我接触过的国家元首和科学家中,邓小平主席是最特殊的?”

1977年8月,邓小平建议每年派10位科学家参加丁肇中的工作,从那时起,中国科学家不断参加丁教授的团队,并做出了令世界公认的贡献?

丁教授的第二点体会是:“要对自己有信心,做你认为正确的事,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以机会?”

1965年,丁肇中决定放弃在美国大学的前途,到德国汉堡去,用新建的加速器做实验?8个月以后,他的实验证明,量子电动力学是正确的:电子是没有体积的,它的半径小于10-14厘米?

向世界级专家挑战的实验

因发现构成物质的第四种基本粒子——J粒子,丁肇中获得1976年诺贝尔物理学奖?颁奖仪式上,他特意用一口流利的汉语演讲,使华夏语言第一次在诺贝尔颁奖大厅响起?

2006年11月20日,诺贝尔奖获得者?世界著名物理学家丁肇中教授应朱邦造大使的邀请,来到中国驻瑞士大使馆,做了一场精彩的讲座?

但到了1964年,哈佛大学和康奈尔大学的著名教授和专家们得出了相反的结论——量子电动力学是错误的,换言之,电子是有体积的!

记者12年前曾经在日内瓦听过他的讲座,当时他的辅助工具是幻灯机,寥寥数语就把枯燥抽象的物理知识讲述得一清二楚?12年轮回,如今他改用袖珍电脑,内容更加丰富,画面更加生动,但不变的是他那深入浅出讲故事的能力?

第三个实验是发现胶子?什么叫发现胶子?丁教授娓娓道来:“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4种力:引力?电磁力?弱力和强力?强力是由胶子传输的?20世纪70年代,我在德国使用300亿电子伏的电子对撞机做实验,原来的目标是继续寻找电子半径,突然注意到,在正电子和电子对撞的时候,产生夸克,出现胶子喷注?”

两年以后,丁肇中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10000倍?新粒子发现以后,很快同样寿命的类似粒子也相继被发现?丁教授解释说:“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和普通人完全不一样?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?”

近年来,丁肇中几乎每个月都要回中国?在AMS-02项目中,除中国科学院,东南大学是第一所加盟的中国院校,紧接着上海交通大学也加入进来,去年又新添山东大学?中山大学两所院校?确保探测器在太空中正常运行的热控制系统,被丁肇中称为“非常重要的部分”,他将这一重任交与中山大学年轻的许宁生团队承担?丁肇中说:“我选择院校不一定看谁名气大,最重要的是看它对实验是否真有兴趣?”

与邓小平鲜为人知的交情

丁肇中说:“我这几十年做了5个物理实验,得出了5点体会?”

第四点体会是: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?

J粒子的发现,改变了物理学界长期认为世界上只有3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?

研究反物质挑战太空

丁肇中说,他曾经向胡锦涛主席报告过中国参加AMS实验的意义,中国政府对这个项目也有很大兴趣?在AMS-01号的研制过程中,中国科学家承担了核心部件——永磁体系统的设计和制造?正在研制中的AMS-02号,则将它的主体永磁铁更换为超导磁铁,中国科学家在继续参与工作?

在获得诺贝尔物理学奖30年后,丁肇中至今仍奋战在国际高能物理实验第一线,领导全球16个国家和地区的500多名科学家?1000多名工程技术人员,争分夺秒加紧阿尔法磁谱仪的研制工作?

L3实验共发表了271篇文章,有300人因这一研究工程而获博士学位?

第五个体会是:要实现目标,最重要的是要有好奇心,对自己正在做的事情感兴趣?同时要勤奋工作?

第四个实验是在欧洲核子中心做的L3实验?这次用的是一个周长27公里的加速器,1000亿电子伏特正电子与1000亿电子伏特负电子对撞?它瞬间产生的热量,相当于太阳表面温度的4000亿倍,也是宇宙诞生最初的1000亿分之一秒时的温度?实验仪器使用的磁铁是10000吨,探测器包括300吨铀,均来自苏联?

第二个实验是发现新粒子家族?在1974年以前,物理界认为所有的粒子都是由3种夸克所组成?丁肇中对此提出疑问:为什么宇宙中只有3种夸克?为了寻找新的夸克,他决定建一个高灵敏度探测器?70年代初,他设计了一个精确度极高的实验:“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,我们就要从这100亿个里找出它来?”

第五个实验是国际空间站上的AMS实验?根据大爆炸的理论,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,因为大爆炸以前是真空?现在宇宙已经存在了150亿年,反物质在哪里呢?什么叫反物质?

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

这个实验不受物理学界欢迎,毕竟大家都相信只有3种夸克,没有人相信如此困难的实验能成功?

AMS是一种宇宙粒子探测器,实验目的在于探测太空中反物质和暗物质的存在,从而验证宇宙大爆炸及粒子物理的相关理论?这是人类第一次在太空中使用磁谱仪进行粒子物理研究?

孰是孰非?因为这关乎物理基本观念,所以28岁的丁肇中决定用不同的方法来测量电子的半径?那时,他刚刚拿到博士学位,没有任何经验,所以没人相信他能做出这样的实验,也没人支持他?

这是首次由美国?苏联?中国?欧洲等19个国家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,提供了很大帮助,包括一台非常先进的计算机,同时还在上海硅酸盐工厂生产BGO晶体?

第四个实验造就了300个博士

1972年,美国的布鲁凯文实验室终于接受了丁肇中的实验?这个实验需要10000吨水泥?5吨铀?100吨铅?5吨肥皂?最困难的是向政府申请5吨肥皂,因为一般人无法理解为什么要用这么多肥皂?实际上原因很简单:肥皂内含有轻离子,是用来隔离中子对粒子的干扰的?

“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?”这位华裔诺贝尔奖得主,以他自己将近半个世纪以来亲身经历的5个物理实验,讲述他对科学创新的理解和人生感悟?

本文由美高梅集团发布于数理科学,转载请注明出处:丁肇中谈实验物理

关键词: