我所參與的２０世紀(jì)的物理學(xué)

編前話

原煙臺(tái)聯(lián)中校長(zhǎng)張敏之的子女為紀(jì)念其父獻(xiàn)身教育、關(guān)愛(ài)學(xué)生的精神，成立了“張敏之教育基金會(huì)”，并于2000年5月為母校煙臺(tái)二中捐贈(zèng)10萬(wàn)美元，用于“張敏之教學(xué)樓”的建設(shè)。2001年7月2日，“張敏之教學(xué)樓”落成剪彩，著名華裔物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者丁肇中先生寫(xiě)來(lái)親筆賀信，勉勵(lì)中學(xué)生努力學(xué)習(xí)，培養(yǎng)興趣，成為有用之才。

丁肇中致同學(xué)們的一封信

同學(xué)們：

很高興在張敏之教學(xué)樓揭幕式上和大家談?wù)勎覀€(gè)人在科學(xué)上的體驗(yàn)。小時(shí)候常聽(tīng)我父母談起張敏之先生的事跡和在教育上的貢獻(xiàn)，同時(shí)我還記得我母親講她小時(shí)候在煙臺(tái)上學(xué)的故事，給我留下很深刻的印象。

自然科學(xué)(物理、天文、生物、化學(xué)等)是實(shí)驗(yàn)科學(xué)。一個(gè)理論無(wú)論它多么高明并合乎邏輯，若無(wú)法由實(shí)驗(yàn)加以印證，終究是毫無(wú)意義的。實(shí)驗(yàn)與理論交互影響的結(jié)果，促進(jìn)了科學(xué)的進(jìn)步。先進(jìn)精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論之預(yù)測(cè)互相對(duì)照，終致產(chǎn)生新的理論，而此新理論又面臨新的實(shí)驗(yàn)之挑戰(zhàn)。所以作為一個(gè)好的科學(xué)家，必須對(duì)理論與實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)有深入的理解。

大約半個(gè)世紀(jì)前我在中學(xué)讀書(shū)時(shí)，并非班上的佼佼者。我的父母從未要求我背書(shū)，也未要求我在考試中爭(zhēng)取最高分?jǐn)?shù)。

對(duì)我影響最深者是我的母親，在考試中無(wú)論我得到怎樣的成績(jī)，她都能諒解與接受。平時(shí)在家里我們經(jīng)?？梢月?tīng)到許多偉大的科學(xué)家的成就事跡與逸事，這樣一個(gè)溫馨自由的家庭氣氛，加上科學(xué)家的影響。使我在年輕時(shí)即已下決心做一個(gè)科學(xué)家。

在高中時(shí)，我曾對(duì)中國(guó)歷史深感興趣，中國(guó)有世界上最悠久且未曾間斷的歷史記錄，其間有許多偉大的成就值得我們驕傲。

我同時(shí)也對(duì)數(shù)學(xué)、化學(xué)和生物興致勃勃，對(duì)其他科目則表現(xiàn)平平。我曾花了相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間在物理和數(shù)學(xué)兩科。記得當(dāng)時(shí)曾對(duì)牛頓定律F=ma的意義想了數(shù)周之久。對(duì)質(zhì)量m、加速度a及力f之物理意義非常困惑不解。

在中學(xué)接受到的非常踏實(shí)的教育，對(duì)我日后成為一個(gè)物理學(xué)家有極大的幫助。1955年中學(xué)畢業(yè)，1956年進(jìn)入美國(guó)密西根大學(xué)，直到1962年止，歷時(shí)六年，我相繼獲得物理學(xué)和數(shù)學(xué)學(xué)士學(xué)位及物理學(xué)博士學(xué)位。1976年，我獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)。

我想用四則簡(jiǎn)短的故事談?wù)勎宜鶇⑴c的20世紀(jì)的物理學(xué)。

第一個(gè)故事：測(cè)量電子的大小

費(fèi)曼、薛丁格、朝永正一郎等知名物理學(xué)家，在近代電磁理論中均認(rèn)為電子是沒(méi)有體積的。在1960年之前，所有的實(shí)驗(yàn)均與這個(gè)理論的預(yù)測(cè)相吻合。1964年由哈佛大學(xué)與麻省理工學(xué)院建造完成一個(gè)大型電子加速器，并由哈佛大學(xué)與康乃爾大學(xué)在這方面的專(zhuān)家設(shè)計(jì)了一個(gè)高靈敏度的實(shí)驗(yàn)，求測(cè)量電子的大小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，電子是有體積的，它的半徑是10^-14cm。實(shí)驗(yàn)與原理不相符合，證明近代電磁理論是錯(cuò)誤的。

1966年我在德國(guó)用不同的方法重作這個(gè)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)電子的確沒(méi)有可測(cè)量的大小，其半徑小于10^-14cm，與理論完全符合。也就是說(shuō)近代電磁理論是正確的。這個(gè)故事得到第一個(gè)啟示：切勿永遠(yuǎn)順從專(zhuān)家的想法。

第二則故事：新夸克的發(fā)現(xiàn)

在20世紀(jì)70年代，所有已知的基本粒子均由三種夸克組成。我當(dāng)時(shí)就懷疑，為什么只有三種夸克?

為了尋找新的夸克，我決心組裝一個(gè)高靈敏度的探測(cè)器，該探測(cè)器對(duì)夸克探測(cè)的靈敏度為既有探測(cè)器的100億倍。也就是說(shuō)，我們要在100億個(gè)基本粒子中找出由新夸克組成的新粒子。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的困難度可以用下面的比喻來(lái)說(shuō)明：在一個(gè)下雨天，每秒鐘在煙臺(tái)落下的100億個(gè)雨滴中，有一個(gè)顏色不同，我們要將它找出來(lái)，其難度可想而知。

在當(dāng)時(shí)，幾乎每一個(gè)人都相信夸克只有三個(gè)，再加上這個(gè)實(shí)驗(yàn)的難度太大，使得世界上幾乎所有的加速器實(shí)驗(yàn)室都拒絕接受這個(gè)實(shí)驗(yàn)。最后，美國(guó)紐約的布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室終于允許我們進(jìn)行這個(gè)實(shí)驗(yàn)。我們果然發(fā)現(xiàn)了一個(gè)全新的夸克，該夸克所組成的粒子呈現(xiàn)了意想不到的性質(zhì)：

1．非常之重，比所有的已知粒子都重；

2．生命期很長(zhǎng)，比已知的粒子長(zhǎng)1000倍以上。

這些性質(zhì)顯示新的物質(zhì)的存在(來(lái)自新的夸克)。而夸克只有三種的舊觀念被證明是錯(cuò)的。今天我們已知最少有六種不同的夸克。

由于這項(xiàng)成果，我獲得了1976年的諾貝爾獎(jiǎng)。這里我們得到了第二個(gè)啟示：對(duì)于你認(rèn)為正確的事，應(yīng)永遠(yuǎn)保持自己的信心堅(jiān)持做下去。

第三則故事：膠子的發(fā)現(xiàn)

在現(xiàn)代物理的基理論中，光子是原子間作用力的傳遞者；而膠子則是夸克之間作用力的傳遞者。1979年以麻省理工學(xué)院為主，由我率領(lǐng)的研究組利用在德國(guó)漢堡的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)一些特殊的現(xiàn)象。我們發(fā)現(xiàn)有三個(gè)粒子族射(Jet)的事例。這樣的這個(gè)發(fā)現(xiàn)并非此實(shí)驗(yàn)的原始目標(biāo)，但由于我們的充分準(zhǔn)備，并沒(méi)有漏失這個(gè)意料之外的現(xiàn)象，因而證實(shí)了膠子的存在。所以我們又有了第三個(gè)啟示：對(duì)預(yù)料之外的事件做好充分的準(zhǔn)備。

第四則故事：尋找反物質(zhì)與暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)(AMS實(shí)驗(yàn))

根據(jù)宇宙是由大爆炸產(chǎn)生的理論，爆炸產(chǎn)生出對(duì)稱(chēng)的正物質(zhì)和反物質(zhì)，應(yīng)該有一個(gè)反物質(zhì)的宇宙同時(shí)存在。

反物質(zhì)的存在是狄拉克所提出，他在1933年12月諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)的演講中，以“電子與正電子的理論”為題，講到下列式子：

式中m=(m)(m)=(-m)(-m)。(-m)的理論與(m)的理論有一樣的結(jié)果。

狄拉克問(wèn)道：什么是(－m)?由此，他提出了反物質(zhì)的理論。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)驗(yàn)，我們現(xiàn)在知道所有的粒子均有其對(duì)應(yīng)的反粒子。問(wèn)題是如何找到由反物質(zhì)組成的宇宙。

如果有反物質(zhì)存在，它必然會(huì)釋放出反碳、反氦、反鉛等等，它們會(huì)在大氣層中被湮滅掉。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)探測(cè)器送入太空進(jìn)行探測(cè)。由于反物質(zhì)與物質(zhì)的電性相反，我們可以探測(cè)粒子在磁場(chǎng)中的軌跡，根據(jù)其旋轉(zhuǎn)方向，決定其電荷符號(hào)，進(jìn)而分辨該粒子是正粒子還是反粒子。

AMS是我們根據(jù)以上考慮而設(shè)計(jì)的探測(cè)器。AMS(01)已于1998年6月由美國(guó)“發(fā)現(xiàn)號(hào)”航天飛機(jī)帶入太空進(jìn)行了10天的太空飛行，采集了大量的數(shù)據(jù)。所發(fā)表的文章得到國(guó)際物理學(xué)界的高度評(píng)價(jià)。AMS(02)將于

2003年送到國(guó)際空間站進(jìn)行3～5年的實(shí)驗(yàn)。

綜上所述，我們現(xiàn)在面臨的新問(wèn)題是：如果宇宙開(kāi)始于大爆炸，物質(zhì)與反物質(zhì)應(yīng)該各占宇宙的一半，那么，反物質(zhì)的宇宙在哪里?我的第四個(gè)啟示，也是最重要的：常保持好奇心，對(duì)自己正在進(jìn)行的工作感興趣，并辛勤地工作，力求達(dá)到最終的目標(biāo)。

謝謝!

丁肇中

2001．7．2

(趙聚奎王一秀摘自《現(xiàn)代教育導(dǎo)報(bào)》)