我所经历的5个物理实验——丁肇中

2 第二个实验——新粒子家族的发现 

在1974年以前，物理界认为，所有的粒子是由3种夸克所组成的。我的问题是：为什么宇宙中只有3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20世纪70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100亿个雨滴里把那个红色雨滴找出来。 

当时，这个实验不受物理学界欢迎，因为大家都相信只有3种夸克，也没有人相信如此困难的实验能够做成功。实验几乎被世界上每一个实验室所拒绝。 

直到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，这个实验必须具备以下条件：① 必须每秒钟输入100亿个高能量的质子到探测器上，这么多的质子输入到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 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 必须设计安全的屏蔽系统。图2为实验设备（J粒子探测器），当时实验输入每秒100亿个能量300亿电子伏特的质子，并用10000吨水泥、5吨的U238、100吨铅和5吨肥皂作为放射屏蔽。它的分辨率高达100微米，分辨速度达20兆赫。J粒子探测器现展于美国国家科技馆（见图3）。

2年以后，我们果然发现了一种新的粒子（J粒子），它具有奇异的特性——寿命比已知的粒子长1万倍。很快，人们又发现了同样寿命的类似粒子。它的重要性类似于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，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粒子被发现之后，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。 

由于此项工作，我获得了1976年的诺贝尔物理学奖。在诺贝尔奖历史上，从来没有人用中文做过演讲，我决定在授奖仪式上用中文进行演讲。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发展中国家的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。事实上，自然科学理论不能离开实验的基础，特别，物理学是从实验产生的。我希望由于我这次得奖，能够唤起发展中国家的学生们的兴趣，而注意实验工作的重要性。” 

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。” 

我的第二点体会是，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自己的正确想法；同时，决策机构要给优秀的年轻人机会。

3 第三个实验——胶子的发现 

什么是胶子？在原子外面是电子，里面是原子核，原子核里面是核子，核子里面是夸克。宇宙中有4种力，即引力、电磁力、弱力和强力。引力，其来源到现在还没有人知道是怎么回事；电磁力，由光子传输，电子和原子核间的力，就是光子传输；弱力，由Z0、W子传输；强力由胶子传输（见图4）。

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，中国科学家开始参加我的科研团队，并做出了世界上公认的贡献。邓小平曾对我说，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。我曾经多次见到邓小平先生，每次见到他，我都向他介绍我的工作。他对物理很有兴趣，问我很多问题，同时也向我讲述战争年代的经历。他是我接触过的国家领导人和科学家中最特殊的。 

20世纪70年代，我在德国PETRA的300亿电子伏特电子对撞机（见图5）上进行实验，原来的目标是继续测量电子半径。

然而，做实验的时候，我突然注意到，在正电子和电子对撞的时候，可以产生夸克、反夸克和胶子的3种粒子喷注（示意图见图6）。

1979年9月4日，美国《纽约时报》头版报道了我们发现胶子的消息。中国的《参考消息》1979年9月11日转载了《纽约时报》这条消息，称27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。1979年9月5日，《人民日报》刊载了题为“丁肇中教授领导的实验小组发现胶子”的报道，称这种新粒子发现引起全世界科学界极大兴趣。中国科学院高能物理研究所唐孝威等20多位科学工作者参加了这项实验研究。 

我的第三点体会是，做科学研究对意料之外的现象要有充分的准备。

4 第四个实验——在欧洲核子中心的L3实验 

这个实验是在欧洲核子中心的周长27 km的加速器（见图7）上进行的，1000亿电子伏特正电子与1000亿电子伏特电子对撞，温度为太阳表面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。

L3实验是首次由美国、前苏联、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，包括给了一台非常先进的计算机和在上海硅酸盐研究所生产的BGO晶体。我们开始做这种BGO晶体的时候，全世界的产量才只有4 公斤，很不幸的是我们需要12 吨。怎么办呢？我还记得上海硅酸盐研究所的严冬生院士专门告诉我他们可以做，所以尽管当时德国人、法国人都比较反对，最终我还是决定在上海做BGO晶体，结果做得非常成功。现在他们所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人为此获得博士学位。实验结果可以用3句话来表达：① 宇宙中只有3种不同的电子；② 电子是没有体积的，其半径小于10-17 厘米；③ 夸克也是没有体积的，其半径小于10 -17 厘米。很多优秀的中国科学家参与了这个实验并回国工作。 

我的第四点体会是，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。

5 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。AMS实验（Alpha Magnetic Spectrometer，阿尔法磁谱仪）是国际空间站唯一的大型科学实验，也是人类第一次把磁谱仪送入太空（见图8）。AMS的目标是寻找由反物质组成的宇宙，探讨暗物质和宇宙线的来源。

在大爆炸的理论中，宇宙起源时的温度非常高，大爆炸之前没有物质，因此大爆炸以后物质与反物质的数量应该一样多。现在宇宙已经存在150亿年，有由我们身边的各种物质组成的宇宙，大爆炸后产生的反物质在什么地方？ 

什么叫反物质呢？1928年，英国科学家狄拉克注意到在相对论和量子力学的方程式中，把质量“m”变换符号为“-m”，方程式不会改变。他问“-m”有什么意义，因而提出反物质理论。在发现反电子后，他于1933年获诺贝尔奖。1965年，《纽约时报》头版一则消息报道：“物理学家造出复杂的反物质”，介绍了我的实验：发现由反物质组成的反原子核。1965年5月，《参考消息》以“中国旅美科学家发现‘双逆粒子’”为题，转载了台湾《中央日报》的相关报道，并介绍了我及我的父亲。 

人类研究天文现象的最早文字记录是甲骨文记载的公元前3300年发生的超新星大爆炸，而更详细的有关超新星爆炸的记录是在宋朝公元1054年关于《金牛座星》的记载。在过去40年里，天文学和宇宙论的突破性发展，仍源于对光和电波的观测，如用哈勃望远镜、地面望远镜等，在这一领域由此也产生了近10位诺贝尔奖得主。可是，宇宙线里面除了光以外，还有带电的粒子，带电的粒子有质量，所以它就被大气层吸收了，无法在地球上观测到。粒子因为带电，要分辨电荷的符号，就必须用磁铁来探测；而至今没有一个精密的磁谱仪在太空观测带电粒子，主要是因为无法将超导磁铁送入太空。AMS是第一个送入太空的磁谱仪。 

这个实验将在太空站运行3年，可以收到很多正物质的原子核。但是，能不能找到反氦、反碳等反物质呢？3年中如果没有任何这方面的发现，就显示了在可见的宇宙范围内，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。 

AMS实验是美国、中国（台湾）、俄罗斯、芬兰、法国、德国、意大利、瑞士等国首次在空间领域的合作，共有56所大学和研究所以及600位科学家进行合作。中国有很多大学和研究机构参加AMS实验工作，包括东南大学、上海交通大学、中山大学、山东大学、中科院电工所、高能所，航天部一院、五院等等，其中把磁铁放到太空中所遇到的困难就是被中科院电工所和航天部一院克服的。实验飞行进行2次。第一次（AMS01）用来掌握磁体在太空中运作的基本技术；第二次（AMS02）用来寻找反物质。 

1998年我们把AMS01实验组装好后，由航天飞机带入太空飞行10天，发现了外太空中许多从未了解的、想象不到的现象。例如，在靠近赤道的地区，正电子的数量为电子的4倍。 

《科技日报》1998年评出的当年度世界10大科技新闻中有一条是，阿尔法磁谱仪首次升空运行正常。该条新闻报道：6月2日，装有中国制造的巨大永磁体的阿尔法磁谱仪首次搭乘美国发现号航天飞机升空；此磁谱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；在此次实验中磁谱仪运行正常。 

当时有很多美国科学家都认为这项实验是不会成功的。1998年实验成功以后，我们把全部的时间用在制造AMS02上。AMS02有30万个数据读出通道，650个微处理机，用-271℃的超导磁铁，所有的仪器制造都没有任何以往的经验可以借鉴，也没有任何以前的资料和数据可以参考。现在，这些仪器已经开始运往日内瓦组装。

图9中，穿越辐射探测器是测量电子的，飞行时间探测器是测量速度的，超导磁铁和硅微条探测器测量电荷的符号与大小，也测量动量，量能器测量光子和电子，切伦可夫计数器测量速度和电荷。硅微条探测器飞行件已经建造完成，共8层，总面积6.6 平方米，有20万个数据通道，是最精密的大面积硅探测器之一。量能器由法国、意大利和中科院高能物理研究所的陈和生、吕雨生、庄红林等人合作完成。AMS超导磁铁现在正在美国的约翰逊太空中心组装。 

中国政府对这个实验也非常有兴趣，我曾经向胡锦涛主席报告过中国参加AMS实验的意义。对于中国大学而言，第一，由于AMS实验工作是由世界上包括美国的麻省理工学院、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知名大学共同来完成，中国的大学可以和这些大学进行长期的合作和竞争。第二，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，在过去一百年里，获得诺贝尔物理奖的科学家大多来自于大学，因此大学的参加特别有意义。 

对于中国航天事业而言，第一，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的，中国的航天专家可以借此与这些机构进行长期的、高水平的技术交流和竞争。第二，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、空间超导磁铁技术等。 

表1给出了近代物理学研究的一些发现。通过这个表你会发现，科学家的实际发现和原定研究目标一点关系都没有。专家们对于目标设定的意见是根据已知的知识，而实际的发现就是要打破已知的知识，这样科学才会发展、才会前进。

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

6 基础研究可改变整个世界和人类的生活 

如果你要求物理学家, 哪怕是最伟大的物理学家, 对一个新发现的实际应用做出预言，你会听到如下的回答。 

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，在科学金字塔中（见图10），由于新的应用在不断扩大（金字塔高度增大），基础研究也在不断拓宽它的底部（金字塔底部拓宽）。随着科学的不断发展，基础研究越来越走到了科学金字塔最外面的角落，因此，有时候基础研究因为它远离日常生活而会受到人们的责难和质疑。只有当过了一段时间科学金字塔的应用部分长高后，公众对原本奇怪的科学新现象逐渐熟悉了，基础研究才看上去比较接近实际，从而被人们所理解。 

我认为，没有任何理由断定今后科学金字塔不会继续拓宽和长高。

从发现一个科学新现象到这一科学成果的市场化，大约需要20～40年的时间，对政治家和实业家来说，这样一段时间常常是太长了。但是，科学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。在科学研究领域，错误经常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，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。我们常常听到这样的争议：是支持“无用的”的基础科学，还是将资源集中于技术的转化和应用研究？从历史的观点来看，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月邓小平同志对我说的：对科技工作要想得远一些，看的宽一些。

（注：本文转载于网络文库，原文根据丁肇中教授2006年9月16日在“2006中国科协年会”上所作的大会报告整理而成，已经作者修订、确认。原文责任编辑：胡春华) 

科学小讲堂

丁肇中（Samuel Chao Chung Ting）：男，1936年1月27日生于美国密歇根州安阿伯城，祖籍是中国山东省日照市，世界著名实验物理学家。

1959年获美国密西根大学物理学学士和数学学士学位，1962年获得美国密歇根大学物理学博士，1965年发现反氘核，1969年任美国马萨诸塞理工学院物理系教授，1975年美国艺术和科学院院士，1974年发现第4种夸克的束缚态—J粒子，1976年被授予诺贝尔物理奖，并被美国政府授予洛仑兹奖，1977年美国国家科学院院士，1979年发现胶子喷注，1982年确定中微子种类的数目只有三代，1994年起领导AMS组实验在空间寻找反物质和暗物质，1994年当选为中国科学院外籍院士。

丁肇中研究方向是高能实验粒子物理学，包括量子电动力学、电弱统一理论、量子色动力学的研究。他所领导的马克·杰实验组先后在几个国际实验中心工作。丁肇中致力于阿尔法磁谱仪项目研究-运用安装在国际空间站上的阿尔法磁谱仪，寻找由反物质组成的宇宙和暗物质的来源。

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