丁肇中講述的五個(gè)故事

我們處在一個(gè)復(fù)雜而又生機(jī)勃勃的世界。多極化和經(jīng)濟(jì)全球化趨勢(shì)在曲折中發(fā)展，科技進(jìn)步日新月異，綜合國力競(jìng)爭(zhēng)激烈。我們?cè)撊绾握J(rèn)識(shí)當(dāng)今世界發(fā)生的事情。外交學(xué)院在研討世界形勢(shì)方面越來越活躍和多樣，表現(xiàn)出意識(shí)創(chuàng)新的積極姿態(tài)。從２００３年９月起，外交學(xué)院創(chuàng)辦“外交學(xué)院論壇”，定期邀請(qǐng)國內(nèi)外政要、外交家、各領(lǐng)域一流專家學(xué)者前來演講，可謂匯集四海名家，縱論天下大事?！妒澜缰R(shí)》雜志特征得外交學(xué)院院長吳建民大使的支持，將這個(gè)論壇搬上雜志，以讓更多的人享受知識(shí)的啟迪、思想的升華和經(jīng)驗(yàn)的交流。

本刊第１９期所載《錢其琛談：伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)與美國》是這個(gè)論壇的開講之作。本期丁肇中先生的演講為第二講。今后將基本上為每月一講，敬請(qǐng)關(guān)注?！幷?/p>

今年５月，著名的美籍華裔物理學(xué)家丁肇中邀請(qǐng)新上任的外交學(xué)院院長吳建民（原駐法大使）到他家里做客，吳院長向丁教授提了一個(gè)要求，請(qǐng)丁教授到外交學(xué)院講課。丁教授欣然同意了。

外交學(xué)院為什么要請(qǐng)著名的物理學(xué)家丁肇中教授講課呢？吳院長說：“道理很簡單，優(yōu)秀的外交官是通才，而不是專才，是雜家，懂的世界很廣，特別是對(duì)科學(xué)的理念要有一定的認(rèn)識(shí)?！倍〗淌谒v的是對(duì)過去３０年物理研究的回顧。他現(xiàn)在正在國際太空站搞一個(gè)實(shí)驗(yàn)，就是ＡＭＳ（Ａｌｐｈａ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ阿爾法磁譜儀），研究有沒有反物質(zhì)。吳院長曾問過他一個(gè)問題：“你怎么想起這個(gè)點(diǎn)子的———反物質(zhì)？”他說：“我是在家里散步的時(shí)候想出來的?！彼依镉袀€(gè)小樹林，他經(jīng)常在那里散步。演講前，吳院長問教授，“你怎么把一個(gè)非常復(fù)雜的問題用簡單的話給大家講清楚？”教授回答說：“真理總是很簡單的。”

我非常高興到這里來介紹我做什么：我是花錢最多、經(jīng)濟(jì)效益最少的人。我說的事情就是“尋找宇宙中最基本的結(jié)構(gòu)”。

在中國的古代對(duì)物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)有兩種不同的看法，一種看法認(rèn)為最基本的結(jié)構(gòu)是粒子，粒子是可以數(shù)得出來的；另外一種認(rèn)為宇宙中最基本的結(jié)構(gòu)是連續(xù)性的。粒子的觀念起源就是陽和陰。連續(xù)性觀念是公元前６００年道家創(chuàng)始人老子提出的。他認(rèn)為最基本的東西是永遠(yuǎn)摸索不清的。在過去的兩千年里，西方國家對(duì)基本粒子也有不同的看法。在兩千年以前，西方認(rèn)為土、氣、水、火是最基本的東西。１６世紀(jì)，認(rèn)為最基本的東西除了土、氣、水、火以外，還有水銀、硫磺和鹽，變成了七種。在一百年以前，所有的科學(xué)家都認(rèn)為我們已經(jīng)知道宇宙中最基本的東西就是化學(xué)元素，制定了所謂周期表。上世紀(jì)６０年代，我們認(rèn)為宇宙中最基本的東西是原子核，也有一百多個(gè)。到了６０年代末期，我們認(rèn)為宇宙中最基本的東西不是原子核，而是好幾百個(gè)基本粒子。現(xiàn)在我們認(rèn)為宇宙中最基本的東西是六種夸克和三個(gè)輕子。所以，第一個(gè)觀念是：物理上的真理是隨著時(shí)間而變的。

現(xiàn)在我向大家介紹一下我所經(jīng)歷的實(shí)驗(yàn)物理和我的體會(huì)。我向大家說五個(gè)故事。

做科學(xué)的人，不要盲從專家的結(jié)論

第一個(gè)故事，就是測(cè)量電子的半徑。

大家都知道電子是一百年前由英國人湯姆遜（ＪｏｓｅｐｈＪｏｈｎＴｈｏｍｓｏｎ）發(fā)現(xiàn)的。電子是我們?nèi)粘Ｉ罾锩孀钪匾?，我們每個(gè)人天天用的任何東西都是由電子傳輸而來的。電子的半徑是多大？１９４８年，有一個(gè)電子理論稱電子是沒有半徑的。１９６４年，哈佛大學(xué)和康奈爾大學(xué)的專家們證明電子的半徑是１０－１３厘米。那時(shí)，我剛拿博士學(xué)位，覺得這個(gè)實(shí)驗(yàn)太重要了，所以我就決定重復(fù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)。１９６６年我在德國用不同的方法重做了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)電子的半徑確實(shí)小到不可測(cè)量，這是我的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和理論推測(cè)完全符合電子半徑為零的理論。這是我的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)在人們測(cè)量的結(jié)果是它的半徑小于１０－１７厘米。我的第一點(diǎn)體會(huì)：對(duì)于一個(gè)做科學(xué)的人，不要盲從專家的結(jié)論。因?yàn)槲覜]有做這個(gè)實(shí)驗(yàn)以前，另外幾個(gè)實(shí)驗(yàn)都是由世界上最有名的專家所做的，但結(jié)果都是錯(cuò)的。

要對(duì)自己有信心，做你認(rèn)為正確的事

第二個(gè)故事，發(fā)現(xiàn)新粒子。在６０年代末期，人們對(duì)宇宙的觀念是這樣的：原子外面有電子，原子里面有原子核，原子打開有粒子，粒子打開有夸克。所以我的第二個(gè)故事就是講新粒子家族的發(fā)現(xiàn)。到了７０年代，已經(jīng)知道的基本粒子已經(jīng)有好幾百個(gè)，都可以歸結(jié)為由三種夸克所組成。我就問：為什么宇宙中間只有三種夸克？為了尋找新夸克，我決定建立一個(gè)高靈敏度的探測(cè)器。７０年代初期，我設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，目的是尋求新粒子組成，這個(gè)實(shí)驗(yàn)要求的精確度是非常高的。比方說，北京或者日內(nèi)瓦下雨的時(shí)候，每秒鐘有一百億個(gè)雨點(diǎn)，假使有一個(gè)是紅的，你要把這個(gè)紅雨點(diǎn)找出來。這個(gè)實(shí)驗(yàn)不受物理學(xué)家的歡迎，因?yàn)閷W(xué)理論的人都說，所有已知的物理現(xiàn)象都可以用三種夸克解決，你這個(gè)實(shí)驗(yàn)是沒有意義的。所以，他們認(rèn)為世界上沒有人能做出這樣困難的實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)幾乎被世界上每一個(gè)加速器實(shí)驗(yàn)室所拒絕。到了１９７４年，我們?cè)诿绹~約的布魯克海文（Ｂｒｏｏｋｈａｖｅｎ）實(shí)驗(yàn)室完成實(shí)驗(yàn)后，就發(fā)現(xiàn)了新粒子，發(fā)現(xiàn)新粒子后很快又有了新的發(fā)現(xiàn)。所以說有新的物質(zhì)存在，這是由新的夸克組成的，因此只有三種夸克的觀念是錯(cuò)誤的?，F(xiàn)在我們已經(jīng)知道至少有六種不同的夸克。我的第二個(gè)體會(huì)就是：做基礎(chǔ)研究，要對(duì)自己有信心，做你認(rèn)為正確的事，不要因?yàn)榇蠖鄶?shù)人的反對(duì)而改變。這可能是和外交不同的地方，因?yàn)榭茖W(xué)的進(jìn)步是多數(shù)服從少數(shù)，別人的意見是沒有意義的。

做科學(xué)，要對(duì)意料之外的現(xiàn)象有充分的準(zhǔn)備

第三個(gè)故事，是膠子的發(fā)現(xiàn)。大家還記得在中學(xué)念書的時(shí)候都學(xué)過，原子外面是電子，中間是原子核，電子和原子核中間的力量是由光來傳輸?shù)?。在７０年代，我們知道，原子核里面有夸克，那夸克里面的力量是怎樣傳輸?shù)哪?？理論上說是由膠子來傳輸?shù)?。?shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，膠子果然存在。這就很快、很簡單地把一個(gè)很重要的物理現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)了。所以，第三點(diǎn)體會(huì)：做科學(xué)，要對(duì)意料之外的現(xiàn)象有充分的準(zhǔn)備。

善于進(jìn)行國際合作

第四個(gè)故事就是國際科學(xué)合作。我們知道宇宙是由類電子組成的，就是說有六種夸克和三種電子。第一個(gè)問題是：到底有多少電子？為什么只有三種？電子有多大？電子能不能分成更小的東西？到底有多少種夸克？夸克有多大？夸克能不能分成更小的粒子？為了做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，過去２０年里我一直在西歐核子中心工作。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里制造宇宙誕生最初一千億分之一秒的情況。這是一個(gè)國際合作，有韓國、中國（包括臺(tái)灣）、印度、蘇聯(lián)、歐洲國家和美國等２０多所大學(xué)、６００余名科學(xué)家參加實(shí)驗(yàn)，有大概５０個(gè)研究室。

當(dāng)時(shí)恰逢冷戰(zhàn)，但仍是由美國、蘇聯(lián)、中國和歐洲國家參加的一個(gè)大型國際合作。實(shí)驗(yàn)開始的時(shí)候，只有１５個(gè)國家，做到一半，蘇聯(lián)解體了，就變成了１９個(gè)國家。經(jīng)費(fèi)的１／３來自美國，１／３來自蘇聯(lián)，還有１／３來自歐洲。

目前發(fā)現(xiàn)，宇宙中只有三種不同的電子。電子是沒有體積的，根據(jù)人們現(xiàn)在的認(rèn)識(shí)，它的半徑小于１０－１７厘米。大家想一想，這是非常奇怪的現(xiàn)象：我們天天用電，已經(jīng)用了一百多年了，但卻永遠(yuǎn)找不到電子的半徑是多大。你晚上要是把眼睛閉起來想一想，這是非常奇怪的現(xiàn)象。夸克也是沒有體積的，半徑小于１０－１７厘米。很多中國科學(xué)家參加了我的工作。除了科學(xué)研究以外，對(duì)我個(gè)人來說，比較高興的就是，這個(gè)過程中誕生了很多很有成績的科學(xué)家。我的第四點(diǎn)體會(huì)是，領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)大的國際活動(dòng)，最重要的是要選科學(xué)上重要的題目，引起參加國的科學(xué)家的強(qiáng)烈興趣。第二，領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)大的國際合作，對(duì)貢獻(xiàn)大的國家要有優(yōu)先的認(rèn)可，使之得到國際上的公認(rèn)，這才能得到參加國政府的長期優(yōu)先支持。

實(shí)現(xiàn)你的目標(biāo)：好奇心加勤奮

第五個(gè)故事，就是向大家展示一下我現(xiàn)在在做什么。我在國際空間站上研究外太空的反物質(zhì)，就是所謂的ＡＭＳ實(shí)驗(yàn)。國際空間站現(xiàn)在正在建造，長１０９米，寬８０米，重４２０噸。２００６年后，它將是夜空中除了月亮和金星以外最亮的星。因?yàn)樗@著地球轉(zhuǎn)，所以大家可以看到。它的大小相當(dāng)于三個(gè)足球場(chǎng)這么大。這個(gè)空間站是美國、日本、俄羅斯和西歐所有國家一起做的，造價(jià)是１０１１億美金，并不便宜。學(xué)外交的應(yīng)當(dāng)知道１０１１億是什么概念。這個(gè)實(shí)驗(yàn)經(jīng)過大量的國際競(jìng)爭(zhēng)以后，成為空間站上惟一的大型科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

反物質(zhì)的存在是在１９２８年由英國科學(xué)家狄拉克（Ｐａｕｌ Ａ． Ｍ． Ｄｉｒａｃ）推測(cè)出來的，１９３３年他獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)。我跟吳院長講過，拿諾貝爾獎(jiǎng)有時(shí)候是很容易的。也有人說一個(gè)天才的物理學(xué)家和一個(gè)神經(jīng)不正常的人之間的距離是很短的?？墒牵麨槭裁茨弥Z貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)呢？因?yàn)楹芸鞄д姾傻碾娮泳捅话l(fā)現(xiàn)了，就是電子的反物質(zhì)。電子帶負(fù)電荷，反物質(zhì)的電子帶正電荷。這就證明反物質(zhì)確實(shí)是存在的。這是３０年代。到６０年代，美國的《紐約時(shí)報(bào)》有一個(gè)消息：《很復(fù)雜的反物質(zhì)被發(fā)現(xiàn)了》。這是我當(dāng)年的第二個(gè)實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)什么意義呢？假使宇宙真的曾經(jīng)發(fā)生過大爆炸，爆炸以前什么都沒有，在爆炸的時(shí)候溫度非常高，有電子的話就應(yīng)該有正電子，有夸克就應(yīng)該有反夸克，有物質(zhì)就有反物質(zhì)，才能平衡起來，因?yàn)楸ㄒ郧笆钦婵?。宇宙已?jīng)有１５０億年了，經(jīng)過１５０億年以后，有各位，有院長，有我。那么，由反物質(zhì)所組成的宇宙到哪里去了？就是這個(gè)很簡單的小問題。由于物質(zhì)和反物質(zhì)在大氣中互相湮滅，所以不可能在地面上探測(cè)到，只能將探測(cè)器放在太空中。因?yàn)樵雍头丛佑邢喾吹碾姾?，所以找反原子也必須用磁鐵來測(cè)量磁場(chǎng)上的軌道。換句話說，正物質(zhì)與反物質(zhì)的轉(zhuǎn)向是相反的。所以，這是我們將用在空間站上的儀器。這個(gè)實(shí)驗(yàn)是美國、中國（包括臺(tái)灣）、俄羅斯、芬蘭、法國、德國、意大利、瑞士、西班牙等１５個(gè)國家首次在空間的活動(dòng)，也是空間站上惟一的實(shí)驗(yàn)，是美國政府和俄羅斯政府在空間站上的重要合作。

到了２００６年，大家晚上沒事的時(shí)候往天上看一看，記住上面有一個(gè)小實(shí)驗(yàn)。要找什么呢？如果宇宙起源于大爆炸，一半的宇宙是正物質(zhì)組成的，另一半是反物質(zhì)組成的，反物質(zhì)組成的宇宙在什么地方？為什么要這么大的儀器在空間工作三年到五年呢？因?yàn)樵谌甑轿迥曛校憧梢詼y(cè)量到２０億個(gè)氦。如果２０億個(gè)氦里還沒有找到一個(gè)反氦，就說明你已經(jīng)走到宇宙的邊緣了。為了保證這個(gè)儀器能正常地工作，我們?cè)谥袊暇┑臇|南大學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)和天上一模一樣的儀器，萬一天上出現(xiàn)什么現(xiàn)象的話，你可以在地面上審查它。萬一你要改程序，先在地面上把程序改好，再送到天上去。

我現(xiàn)在向大家說我的第五個(gè)體會(huì)，要實(shí)現(xiàn)你的目標(biāo)，最重要的是要有好奇心，對(duì)自己正在做的事情感興趣，同時(shí)要勤奮工作。

從發(fā)現(xiàn)到應(yīng)用會(huì)有一段時(shí)間

可能有的人要問，你花這么多的力氣，花這么多的錢，有什么用處？我給大家講一講過去一百年里面，最偉大的物理學(xué)家對(duì)新發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象所做的預(yù)言：第一個(gè)就是恩內(nèi)斯特·盧瑟福（Ｅｒｎｅｓｔ Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ）。這是非常有名的物理學(xué)家，拿過諾貝爾獎(jiǎng)。他認(rèn)為：“通過打破原子來產(chǎn)生能量是不合算的，任何希望將原子嬗變轉(zhuǎn)化成能源的想法都是空想?！边€有一位很有名的科學(xué)家李·德福斯特（Ｌ．Ｆｏｒｅｓｔ），美國人。他說：“電視從理論和技術(shù)而言是可行的，從商業(yè)和經(jīng)濟(jì)的角度來看，我認(rèn)為是不可能的，它不過是個(gè)浪費(fèi)時(shí)間的夢(mèng)想?！鄙蟼€(gè)世紀(jì)最偉大的英國科學(xué)家開爾文爵士（Ｌｏｒｄ Ｋｅｌｖｉｎ）說：“Ｘ射線是騙局?！边@三位著名科學(xué)家的預(yù)言都錯(cuò)了。所以讓物理學(xué)家推測(cè)將來是不可信的。

不過，總結(jié)后你就了解到：物理學(xué)是跟距離有關(guān)系的。１００年以前，最尖端的物理學(xué)是力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)，現(xiàn)在用在航空、航天、無線電和電視上。３０年代最尖端的物理學(xué)是原子模型、量子力學(xué)，現(xiàn)在用在半導(dǎo)體、激光、超導(dǎo)體。４０年代最尖端的科學(xué)是原子核模型，現(xiàn)在用在核聚變和同位素上。從大距離來說，１００年以前，是彗星、行星系統(tǒng)，現(xiàn)在用在氣象衛(wèi)星和太空實(shí)驗(yàn)室、地質(zhì)探測(cè)。更大的距離是恒星，研究太陽，現(xiàn)在用在導(dǎo)航上。什么意思呢？從發(fā)現(xiàn)到應(yīng)用，有一段時(shí)間，這時(shí)間可能是３０年、４０年。當(dāng)一個(gè)新的科學(xué)開始的時(shí)候，它永遠(yuǎn)在尖端，因?yàn)樵诩舛?，常常被人們認(rèn)為是沒有用的，奇怪的現(xiàn)象。只能經(jīng)過３０年、４０年后，等大家熟悉這個(gè)現(xiàn)象后才能轉(zhuǎn)換為應(yīng)用。轉(zhuǎn)換為應(yīng)用的時(shí)候，往往改變整個(gè)人類的生活。