在探索中——一個物理學家的體驗

丁肇中

“攻城不怕堅，攻書莫畏難。

科學有險阻，苦戰(zhàn)能過關(guān)。”

讓我這樣年紀的人現(xiàn)在來寫一份傳記是件很困難的事。由于對科學研究事業(yè)的興趣，我還準備把我的工作長期繼續(xù)下去。在這里，我所能做的僅僅是以我個人的經(jīng)驗為中國的青年學生們提供一些借鑒和參考。

在進一步敘述之前，我想簡要地介紹一下我的家庭環(huán)境。1936年，我出生在美國。在我出生三個月的時候，回到了中國。由于當時中國的境況，我一直是一個難民，不斷地從一個地方逃到另一個地方。當然，那時候我沒有可能得到任何的正規(guī)教育。僅僅由于我的父母都是大學教授，我們才得以有足夠的飯吃并且總是可以找到適當?shù)淖∷?，但沒有正規(guī)的教育、體育運動和任何娛樂。然而，幸運的是我可以見到許多來我們家拜訪我父母的有才華的學者。從物質(zhì)條件來說，我的童年也許不象今天北京的兒童們那么幸運。

我十二歲的時候，在臺灣開始接受正規(guī)教育。那正是在臺灣剛剛從日本統(tǒng)治五十年后歸還中國的時候。日本人留下了非常嚴格和有規(guī)律的教育制度。學生在學校里最重要的就是成為一名出類拔萃的學生。我在臺中生活了一年，然后隨我家搬到臺北。在那里，我通過考試進入了臺北最好的高中。這個學校是按照學生的能力和程度編班的。我被編到了最好的班級。尤其是，這個學校在幾何、中國歷史、英文和化學學科方面有很出色的教師。在我念高中的時候，我最感興趣的是中國歷史，其次是化學和物理。但我很快就意識到，在歷史學中去尋求真理比在自然科學中尋求真理要困難得多。也許是由于我十二歲以前沒有機會受到教育的緣故，我對中國文學、英文和其他諸如此類的課程感到極大的困難。自然我不是這些學科上最優(yōu)秀的學生，然而我記得在物理和化學的學習中，我花費了大量的時間，對這些課程有了比較深入的理解（也許比其他的學生更深入一些）。

1956年，我高中畢業(yè)后回到了美國。那時候，我?guī)缀鯖]有多少英文知識。在密西根大學里，第一年我作為工學院的學生學習一年級學生的通常課程。對我來說，那是非常艱難的一年，我不僅不懂當?shù)卣Z言，而且?guī)缀鯖]有錢養(yǎng)活自己。我只有刻苦學習始終保持優(yōu)等生的地位，用獲得的獎學金來繼續(xù)我的學習。在我上二年級的時候，我請求學校允許我多學一些研究院的數(shù)學、物理和物理化學課程。學校通知我說，如要這樣，我必須離開工學院轉(zhuǎn)到物理系去。于是，我離開了工學院。在六年之內(nèi)我取得了物理和數(shù)學的學位并且獲得了物理學博士學位。一直到現(xiàn)在，這個學校還僅有極個別的學生在這么短的時間內(nèi)通過這些學位。在學校里我的考試成績是相當好的。更重要的是，在大學期間我有機會縝密地研討了整個物理學，并且突破書本描述的局限去理解物理現(xiàn)象。對于確實不理解的事物，提出問題而不含糊回避。盡管有英文表達上的很大障礙，但我仍然比其他同學問的問題多。我認為，作為一個科學家，最重要的是不斷探尋在教科書之外的事，對該學科有更深入一層的理解，有能力去獨立地思考各種物理現(xiàn)象的本質(zhì)，面對占壓倒優(yōu)勢的反對意見，毫不膽怯地去迎接挑戰(zhàn)。

在獲得了物理學博士學位以后，許多學校和科學研究部門向我提供了各種職位，一些職位附有優(yōu)厚的薪金，另一些職位居有比較重要的地位。而我選擇了一個可以使我進一步從事研究的工作，那是在瑞士日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心。同其他職位相比，它只有三分之一的薪金并且任職期只有一年，但我還是選擇了這個職位，因為我渴望能夠和歐洲核子研究中心的可可尼教授一起工作。他是一個有非凡能力的物理學家，在選擇物理學研究課題方面具有特別敏銳的洞察力。他能夠以一種清晰和簡明的方式闡述復雜的問題。一年以后，我到哥倫比亞大學物理系擔任講師。當時，哥倫比亞大學是從事物理學研究的最好的學校。這所大學有相當多的知名的和有才華的物理學家以及榮獲諾貝爾獎金的學者，他們都對物理有極大的興趣和獨特的見解。在歐洲核子研究中心的一年和哥倫比亞大學的兩年，對我后來的工作有極大的影響。

在哥倫比亞大學的第二年，哈佛大學做了一個實驗，宣稱首次觀察到了與量子電動力學預言相違背的實驗現(xiàn)象，這個實驗隨后又被康奈爾大學的一個實驗組再次驗證了。但是我曾經(jīng)對量子電動力學理論的完美性及其有關(guān)的實驗技術(shù)的復雜性有深刻的印象。在開始研究這個課題幾個月以后，我決定做這個實驗。哥倫比亞大學里老資格的同事們，特別是萊德曼教授（他現(xiàn)在是美國費米國家實驗室的負責人），都對我完成這個實驗的能力表示懷疑。因為在這個領域里我沒有經(jīng)驗并且缺乏物質(zhì)支持。萊德曼教授指出在這個領域工作過的人都擁有龐大的實驗組和雄厚的物質(zhì)來源，這種實驗他們已做了很多年，因此，他們已是專家了，而我從沒有在這個課題上工作過。不過，他還是友好地允許我能有兩年的時間去實現(xiàn)我的想法。當然，當我在八個月內(nèi)完成了這個實驗并且揭示出量子電動力學的正確性的時候，他和其他的人們是非常高興和驚訝的。這個實驗也成為我的同事們（貝克教授、陳敏教授、布格博士等等）和我自己所從事一系列實驗的基礎，這些實驗用以系統(tǒng)地研究光子的特性和尋找重光子類粒子。這些研究導致了對核子內(nèi)部的光的特性和原子內(nèi)部的電磁特性的更深刻的理解。

1972年，我感到很可能存在許多有光的特性而又有比較重的質(zhì)量的粒子，然而，理論上并沒有預言這些粒子的存在。我直觀上感到?jīng)]有任何理由認為重光子一定要比質(zhì)子的質(zhì)量輕。為了研究更重的光子，我們在布魯海文國家實驗室的高能加速器上設計了一個實驗。在設計過程中，特別是在實驗進行的時候，我遇到了更多的非難。非難的主要原因是因為我們設計了一個探測器，它具有極精細的質(zhì)量分辨能力，因此可以用來尋找長壽命的粒子。這個探測器技術(shù)復雜而且造價昂貴。而人們的經(jīng)驗和當時的理論的預言都認為如果有質(zhì)量大于質(zhì)子的重光子的存在的話，它們的壽命應該是很短的，并且只需要一個簡單的探測器。此外，這類實驗我以前的老同事萊德曼教授也做過，而他沒有發(fā)現(xiàn)任何新奇的東西。在極大多數(shù)情況下。我做實驗是基于我對事物的理解而不是基于理論上的爭論，所以，我決定不顧多數(shù)的反對而去實現(xiàn)這個實驗。

在實驗開始以后，我們很快發(fā)現(xiàn)一個幾乎同樣的計劃已經(jīng)交給在歐洲核子研究中心的一個不同的探測器。由于我們極其認真地進行了實驗設計，并以更充沛的精力去進行我們的研究，同時得到了布魯海文實驗室的全力支持，所以我們能比歐洲核子研究中心的那個實驗組早好幾年宣布了J粒子的發(fā)現(xiàn)。J粒子和許多共同具有不同尋常的長壽命和重質(zhì)量的類似的粒子的相繼發(fā)現(xiàn)，表明人們對基本粒子的內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)還不清楚，改變了人們對物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認識?，F(xiàn)在，物理學家們意識到一定還有更多的新粒子存在，并且開始了一個世界范圍內(nèi)的對新粒子的尋找。

近些年來，我與優(yōu)秀的年輕的中國物理學家們在一起工作。我們共同從事著兩項研究：1，除了膠子的工作以外，繼續(xù)尋找新的粒子；2，也許更重要的是用實驗的方法去尋找自然界中四種力的統(tǒng)一（萬有引力、電磁力、核力和弱力）。尋求對自然界的各種力的統(tǒng)一理論是科學家們多年來夢寐以求的愿望。這可以追溯到幾千年前希臘和中國的哲學家們，直到現(xiàn)代的利學家們，如愛因斯坦和麥克斯韋。我們試圖做的實驗是去爭取發(fā)現(xiàn)弱力和電磁力之間的耦合作用。依照我們現(xiàn)在的理解，這一目標很可能在近幾年內(nèi)達到。

總結(jié)我作為一個物理學家的經(jīng)驗，我認為以下四點是相當重要的：

第一，我總是選擇我對之感興趣的課題，并且力圖去徹底地理解它。

第二，不論反對意見是多么不可一世，我始終堅持對我的科學觀點的探求。

第三，我不斷地對我自己的實驗結(jié)果和能力表示疑問，為此，我總是反復檢查自己的工作，這樣，我們到現(xiàn)在為止實驗結(jié)果還沒有出過錯誤。

第四，我常常意識到我的能力是相當有限的，只有刻苦地工作，我才有可能在某個特殊的領域中取得優(yōu)異的成績和作出貢獻。

中國是一個具有悠久歷史和有過影響深遠的科學發(fā)現(xiàn)的國家。我相信隨著穩(wěn)定、對科學事業(yè)的不斷鼓勵和支持，在未來的年代里，中國必將會對科學作出許多十分重大的貢獻。

（本文刊于即將出版的

《青年科學家》創(chuàng)刊號）