四則故事和四個(gè)啟示

丁肇中，1936年生，美籍華裔物理學(xué)家，主要從事高能物理、基本粒子物理、量子電動(dòng)力學(xué)等方面的研究，并取得了突出成果。1976年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1994年當(dāng)選為中國(guó)科學(xué)院外籍院士。

同學(xué)們：

很高興和大家談?wù)勎覀€(gè)人在科學(xué)上的體驗(yàn)。

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，無論它多么高明并合乎邏輯，若無法由實(shí)驗(yàn)加以印證，終究是毫無意義的。實(shí)驗(yàn)與理論交互影響的結(jié)果，是促進(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)讀書時(shí)，并非班上的佼佼者。我的父母從未要求我背書，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，無論我得到怎樣的成績(jī)，她都諒解與接受。平時(shí)在家時(shí)，我們經(jīng)?？梢月牭皆S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，在其他科目上則表現(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)我曾對(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。我1955年中學(xué)畢業(yè)，1956年進(jìn)入美國(guó)密歇根大學(xué)，直到1962年止，歷時(shí)6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學(xué)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)。

第一則故事：測(cè)量電子的大小

費(fèi)曼、薛定諤、朝永振一郎等知名物理學(xué)家，均認(rèn)為電子是沒有體積的。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，哈佛大學(xué)與麻省理工學(xué)院建造完成了一個(gè)大型電子加速器，并由哈佛大學(xué)與康奈爾大學(xué)在這方面的專家設(shè)計(jì)了一個(gè)高靈敏度的實(shí)驗(yàn)，以測(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10-14厘米。1966年，我在德國(guó)用不同的方法重做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)電子沒有可測(cè)量的大小，其半徑小于10-14厘米，與理論完全符合，也就是說近代電磁理論是正確的。

這個(gè)故事讓我得到第一個(gè)啟示：切勿永遠(yuǎn)順從專家的想法。

第二則故事：新夸克的發(fā)現(xiàn)

在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，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說明：在一個(gè)下雨天，每秒鐘落下的100億個(gè)雨滴中，有一個(gè)顏色不同，我們要將它找出來，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種，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)紐約的布魯克黑文國(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)了一種全新的夸克，該夸克所組成的粒子呈現(xiàn)了意想不到的性質(zhì)：非常之重，比所有的已知粒子都重；生命期很長(zhǎng)，比已知的粒子長(zhǎng)1000倍以上。這些性質(zhì)顯示了新的物質(zhì)的存在（來自新的夸克）。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夸克。

由于這項(xiàng)成果，我獲得了1976年的諾貝爾獎(jiǎng)。

這里我得到了第二個(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)代物理的基本理論中，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)中我們發(fā)現(xiàn)有三個(gè)粒子族射的事例，這樣的事例只能以膠子的存在來說明。這個(gè)發(fā)現(xiàn)并非此實(shí)驗(yàn)的原始目標(biāo)，但由于我們準(zhǔn)備充分，并沒有漏失這個(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”這一理論，爆炸產(chǎn)生出對(duì)稱的正物質(zhì)和反物質(zhì)，所以應(yīng)該有一個(gè)反物質(zhì)的宇宙同時(shí)存在。

經(jīng)過多年的實(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)器并將它送入太空進(jìn)行探測(cè)。由于反物質(zhì)與物質(zhì)的電性相反，我們可探測(cè)粒子在磁場(chǎng)中的軌跡，根據(jù)其旋轉(zhuǎn)方向，確定其電荷符號(hào)，進(jìn)而分辨該粒子是正粒子還是反粒子。

AMS就是我們根據(jù)以上考慮設(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，并采集了大量的數(shù)據(jù)。我們所發(fā)表的文章得到了國(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)在面臨的新問題是：如果宇宙開始于大爆炸，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？

這就是我的第四個(gè)啟示，也是最重要的：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！

（選自《院士書信》中丁肇中《寄語中國(guó)中學(xué)生》一文，上?？萍冀逃霭嫔?002年，有刪改。標(biāo)題為編者加）