我所經(jīng)歷的物理實(shí)驗(yàn)(續(xù))

丁肇中

(美國(guó)麻省理工學(xué)院，美國(guó) 馬薩諸塞州 波士頓)

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·校長(zhǎng)·名人訪談·

我所經(jīng)歷的物理實(shí)驗(yàn)(續(xù))

丁肇中

(美國(guó)麻省理工學(xué)院，美國(guó) 馬薩諸塞州 波士頓)

丁肇中教授

首先論述了基礎(chǔ)研究與技術(shù)應(yīng)用的關(guān)系，指出技術(shù)的發(fā)展是生根于基礎(chǔ)研究之中。然后介紹了作者自己做的4個(gè)物理實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容意義以及從每個(gè)實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出來的體會(huì)。

實(shí)驗(yàn)； 物理實(shí)驗(yàn)； 基礎(chǔ)研究； 應(yīng)用技術(shù)

2.4 現(xiàn)在做的實(shí)驗(yàn)，就是尋找宇宙的起源

目前我領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)(圖5)是在國(guó)際空間站上進(jìn)行的AMS實(shí)驗(yàn)(參閱本刊2013.No.3)。國(guó)際空間站是在夜空中除了月亮和星星以外最亮的星。這個(gè)實(shí)驗(yàn)，是研究宇宙以前的情形，最主要是光，這方面最重要的記錄是1054年中國(guó)天文學(xué)家觀測(cè)到的超新星。這是從哈勃望遠(yuǎn)鏡看到兩個(gè)星系碰撞，一個(gè)星系就被另外一個(gè)星系吃掉了。所以在國(guó)際空間站上的基礎(chǔ)科學(xué)研究中，第一，有兩種宇宙射線，一個(gè)是光，我們已經(jīng)研究幾百年了，例如哈勃望遠(yuǎn)鏡的研究發(fā)現(xiàn)；現(xiàn)在除了光以外，還有帶電的宇宙射線，因?yàn)閹щ?，就一定有質(zhì)量，因?yàn)閹щ娋捅仨氂写艌?chǎng)。AMS放置在國(guó)際空間站上，長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量高能帶電的宇宙射線。這是美國(guó)、中國(guó)、俄羅斯、芬蘭、法國(guó)、德國(guó)、意大利、瑞士等16個(gè)國(guó)家和地區(qū)首次在空間領(lǐng)域方面合作的實(shí)驗(yàn)，有60個(gè)大學(xué)和研究所、600多位科學(xué)家共同參與。

圖5 探索宇宙基本結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)

因?yàn)閺膩頉]有人把磁體放在身上，所以美國(guó)的宇航局就說，我怎么知道你做的事情是對(duì)的，你先把磁體放在航天飛機(jī)上飛行10天。我們中國(guó)科學(xué)院電工所、航天部一院、MIT研制的磁體克服了磁體在太空使用的基本困難。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的成功，獲得了1998年世界十大科技新聞，就是阿爾法磁譜儀首次升空運(yùn)行正常，6月2日，裝有中國(guó)制造的巨大永磁體的阿爾法磁譜儀首次搭乘美國(guó)發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)升空。

成功之后，我們就開始準(zhǔn)備第二個(gè)實(shí)驗(yàn)，2005年，美國(guó)有一架航天飛機(jī)失事，美國(guó)宇航局就說再也不用航天飛機(jī)做實(shí)驗(yàn)了，把所有的實(shí)驗(yàn)都取消，唯一不同意這個(gè)決定的就是我，我說你這個(gè)決定是錯(cuò)誤的，花了1 000億美金，一次失事就取消所有的實(shí)驗(yàn)是不明智的，后來到2008年，美國(guó)參議院、眾議院全體通過了一個(gè)法律，指示宇航局為我們?cè)黾右话嗪教祜w機(jī)，把AMS送入國(guó)際空間站。因?yàn)槭侨w通過，總統(tǒng)就不能否決，雖然布什總統(tǒng)不贊同，但是也不得不簽署這個(gè)法律。到2008年，奧巴馬競(jìng)選總統(tǒng)的時(shí)候，他也贊成國(guó)會(huì)增加至少一次的航天飛機(jī)航班用于有價(jià)值的任務(wù)。

被送上太空的儀器體積5×4×3米，重7.5噸。這是首次在太空中進(jìn)行的大型精密物理實(shí)驗(yàn)，最重要的是，所有的探測(cè)器都是我們自己發(fā)展的新技術(shù)，從來沒有人做過，絕大多數(shù)人認(rèn)為這是不可能的。

穿越輻射探測(cè)器主要來自德國(guó)，美國(guó)和意大利參與，它的主要任務(wù)是分辨正電子和負(fù)電子。硅微條探測(cè)器共9層，有20萬個(gè)電子信號(hào)通道，坐標(biāo)精確度10微米，中山大學(xué)也有重要貢獻(xiàn)。環(huán)形切倫科夫服探測(cè)器，分辨原子核，測(cè)量它的能量，有11 000個(gè)光電倍增管。電磁量能器，5萬根直徑為1毫米的光線，均勻分布在600公斤的鉛中。做完了以后，儀器送到天上是正確的，送上天以前，我們就放在周長(zhǎng)27公里的加速器里，模擬所有的宇宙線，進(jìn)行長(zhǎng)期的測(cè)量。測(cè)量之后，離發(fā)射的時(shí)間已經(jīng)很近了，原來我們想用一架德國(guó)航空公司的波音747運(yùn)輸機(jī)，但必須把我們的儀器分成兩份，后來我考慮了一下，用20萬條電子信號(hào)通道，分成兩份，有一定的危險(xiǎn)，所以我就借了一個(gè)C5運(yùn)輸機(jī)在肯尼迪航天中心降落，就在空間站處理中心停了五六個(gè)月，然后送到發(fā)射臺(tái)上。在肯尼迪航天中心最主要的一個(gè)任務(wù)，就是讓我們的儀器與比例相同的空間站做接軌的實(shí)驗(yàn)，表示到了太空能裝進(jìn)去，如果裝不進(jìn)去就比較困難了。

起飛前幾天，我要求發(fā)射臺(tái)里所有的工作人員和工程師及警衛(wèi)人員都離開我遠(yuǎn)一點(diǎn)，過了很久的時(shí)間，我單獨(dú)地想了想，想了好幾個(gè)鐘頭：在過去的16年，很多國(guó)家一起合作，每一個(gè)重要決定我都想了，有沒有錯(cuò)誤的決定，有沒有值得懷疑的地方，如果不能肯定萬無一失，就不能讓它起飛。我坐了很久，沒有想出錯(cuò)誤，就離開了。我離開以后，他們就開始讓這6個(gè)宇航員到發(fā)射臺(tái)上。2011年5月16日上午，航天飛機(jī)為送7.5噸離地面700公里的地方需要的燃料起飛，航天飛機(jī)的重量是110噸，外掛的氫和氧756噸，兩個(gè)固定火箭是1 142噸，總共是2 008噸。

國(guó)際空間站每90分鐘繞地球一周，速度是每小時(shí)2萬公里，45分鐘在白天，零上40度，45分鐘在夜晚，零下20攝氏度，白天的時(shí)候，輻射板反射太陽能，太陽能板遮蔽太陽能，所以每90分鐘，溫度的變化非常大。

向大家介紹一兩個(gè)最新的結(jié)果，大家千萬記住，物理上的東西基本原理是非常重要的，升空到現(xiàn)在，我們收到540億個(gè)宇宙線數(shù)據(jù)，這大大多于過去100年全世界搜集到的宇宙線的總和。在未來20年，我們會(huì)搜集到3 000億個(gè)數(shù)據(jù)，這將提供前所未有的精度，以探索宇宙的起源。

我現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)有兩個(gè)目標(biāo)。

(1) 第一個(gè)目標(biāo)，尋找宇宙中的暗物質(zhì)。宇宙中90%的物質(zhì)是看不見的，因?yàn)榭床灰姡覀兘兴滴镔|(zhì)(圖6)。宇宙線包括質(zhì)子、電子、氦，這些射線碰撞的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生能量，會(huì)變成質(zhì)量，會(huì)產(chǎn)生正電子，暗物質(zhì)，我們叫作中性微子，碰撞的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生額外的正電子。這些額外的正電子，都會(huì)被我們精確地測(cè)量到。

圖6 暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖6是去年我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖中斜率一定的綠色直線，代表宇宙線碰撞產(chǎn)生的正電子比例，紅點(diǎn)(AMS在空間站上的數(shù)據(jù))所描成的曲線是我們得到的結(jié)果，顯然和宇宙線碰撞產(chǎn)生的正電子比例是不一樣的。

今年我們又收到更多的數(shù)據(jù)，也就能夠描繪完整的這張圖片：第一，什么時(shí)候正電子比例開始上升；第二，上升的時(shí)候是不是平滑；第三，什么時(shí)候停止上升——這個(gè)曲線一定會(huì)停止上升，因?yàn)榘滴镔|(zhì)總能量也是有限的；第四，來了正電子應(yīng)該會(huì)有方向，因?yàn)榘滴镔|(zhì)在整個(gè)宇宙中從哪個(gè)方向來是同樣的；第五，什么時(shí)候開始下降。

到底找到暗物質(zhì)沒有？現(xiàn)在我們實(shí)驗(yàn)探測(cè)到的5種結(jié)果都和暗物質(zhì)有關(guān)，唯一還沒有確定的是什么時(shí)候下降，轉(zhuǎn)折點(diǎn)已經(jīng)找到了，如果下降得很快，一定是暗物質(zhì)，因?yàn)榘滴镔|(zhì)有一定的質(zhì)量，假如下降得很慢，可能是一個(gè)很奇怪的星，就是中子星，中子星轉(zhuǎn)得很快，可能有磁場(chǎng)，也可能產(chǎn)生大量射線。轉(zhuǎn)折點(diǎn)在這里就是從中子星的，如果在這里，很有可能就是暗物質(zhì)(圖7)。

圖7 暗物質(zhì)觀測(cè)

(2) 另一個(gè)目標(biāo)是尋找由反物質(zhì)所組成的宇宙。

如果宇宙起源于大爆炸，爆炸之前是真空，真空里不存在任何東西，所以大爆炸之后應(yīng)該有同樣的數(shù)量的物質(zhì)與反物質(zhì)，要不然就不對(duì)。未來20年內(nèi)，我們將會(huì)收集到3 000億個(gè)數(shù)據(jù)，能夠探測(cè)到可見宇宙邊緣的信號(hào)。什么意思？銀河系里面有1個(gè)億太陽系，宇宙中有幾億個(gè)銀河系，我們要找到幾億個(gè)銀河系，看看有沒有反物質(zhì)。

要找反物質(zhì)，第一就是在空間，一定要把地面上周期表的元素找出來，現(xiàn)在周期表上的元素都找出來了。宇宙是最廣闊的實(shí)驗(yàn)室，宇宙線的能量高于任何加速器，宇宙中的反物質(zhì)和暗物質(zhì)是近代物理學(xué)的基礎(chǔ)。這是唯一在太空中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的儀器(圖8)。我個(gè)人認(rèn)為，我們最重要的目標(biāo)是探測(cè)未知，探索自然界的存在，探索我們無法想象也不曾發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象。

向大家介紹一下近代物理研究的原定目標(biāo)和實(shí)際發(fā)現(xiàn)。我開始做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候是20世紀(jì)60年代，原來的目標(biāo)是為了了解原子核力的來源，結(jié)果實(shí)際的發(fā)現(xiàn)是2種中微子和J粒子；70年代，目標(biāo)是中微子物理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了第5和第6種夸克……什么意思呢？多數(shù)服從少數(shù)，只有少數(shù)人把多數(shù)人的觀念推翻以后，科學(xué)才能向前發(fā)展，因此，專家評(píng)審并不是絕對(duì)有用的，因?yàn)閷＜以u(píng)審是依靠現(xiàn)有的知識(shí)。

圖8 丁肇中教授在實(shí)驗(yàn)中

最后一個(gè)體會(huì)，自然科學(xué)的研究是具有競(jìng)爭(zhēng)性的，只有第一，沒有第二，沒有人知道是誰第二個(gè)發(fā)現(xiàn)相對(duì)論。

(本刊綜合摘編自中歐國(guó)際工商學(xué)院網(wǎng)站等)

鏈接：?jiǎn)柵c答

朱曉明(中歐國(guó)際工商學(xué)院院長(zhǎng))：我們從所知道的報(bào)道，說量子傳輸是隱形傳輸，不需要時(shí)間，也就是說你擁有100萬人民幣，從上海傳輸?shù)奖本? 000公里，不需要時(shí)間就過去了，將來有沒有可能把一種物質(zhì)從一個(gè)地方傳輸?shù)搅硗庖粋€(gè)地方，也不需要時(shí)間？

丁肇中：傳輸所謂不需要時(shí)間是因?yàn)閺墓馑賮肀?，北京和上海是一個(gè)地方，因?yàn)楣饷棵腌娍梢岳@地球幾圈，假設(shè)你住在火星上，我要傳輸給你的話，需要很長(zhǎng)很長(zhǎng)的時(shí)間，所以所謂的不需要時(shí)間，是因?yàn)榫嚯x很小，對(duì)于光速來說很小。物質(zhì)不能決定光速，因?yàn)槲镔|(zhì)根據(jù)相對(duì)論，要決定光速的時(shí)候，物質(zhì)的質(zhì)量就慢慢慢慢變大，空間理論最主要的結(jié)果就是質(zhì)量，當(dāng)速度決定光速的時(shí)候質(zhì)量就變得很大。

張維炯(中歐國(guó)際工商學(xué)院副院長(zhǎng))：我曾經(jīng)看科學(xué)家傳記有一個(gè)章節(jié)寫的是愛因斯坦，當(dāng)時(shí)他是瑞士專利局的一個(gè)雇員，他說他研究相對(duì)論的時(shí)候晚上把門關(guān)上，這個(gè)門大概有一公尺，可以隔絕外面的聲音。他在門里沉思人們根本沒想到的問題。您在做研究、思考問題的時(shí)候需不需要把一扇門做得很厚，躲在門后面思考？

丁肇中：作為一個(gè)物理學(xué)家，選題目是最重要的。通常我選了題目以后，準(zhǔn)備做這個(gè)實(shí)驗(yàn)以后，我通常找一位或者兩位世界上跟一個(gè)人談一談，我要了解他們的觀點(diǎn)，而不是說我要接受他們的意見。1994年我在原子的世界里走來走去，這個(gè)實(shí)驗(yàn)別人從來沒有做過，宇宙是怎么來的？這個(gè)工作有600個(gè)科學(xué)家，我們當(dāng)時(shí)所有的航天專家認(rèn)為這是不可能的。

提問：您如何看待中國(guó)文化以及西方文化的影響？

丁肇中：我覺得我沒有資格回答這個(gè)重要的問題，我只能說，我在中學(xué)念書的時(shí)候，對(duì)中國(guó)歷史、物理和數(shù)學(xué)特別有興趣，我所謂有興趣是花很少的時(shí)間考最高的分?jǐn)?shù)。我小時(shí)候?qū)χ袊?guó)歷史非常感興趣，常常考一百分，后來我就發(fā)現(xiàn)研究中國(guó)歷史對(duì)我來說是很困難的，因?yàn)楹懿蝗菀装l(fā)現(xiàn)真實(shí)情況，中國(guó)一改朝換代，第一件事就是改歷史，別的我就沒有資格說了。

提問：宇宙發(fā)現(xiàn)反粒子的數(shù)量要達(dá)到什么樣的程度才能引起我們對(duì)現(xiàn)有宇宙學(xué)理論的顛覆？

丁肇中：物質(zhì)和反物質(zhì)一碰撞，互相湮滅就產(chǎn)生光，光可以到地面，而地面沒有找到這種光，沒有就表示在我們這個(gè)銀河系當(dāng)中沒有反物質(zhì)，可宇宙里有100億個(gè)銀河系，我們這一個(gè)沒有找到，并不代表另外100億個(gè)銀河系都沒有，所以我們的目的是把其余的銀河系都找一遍，一直找到可見宇宙的邊緣。天文學(xué)理論對(duì)我個(gè)人來說意義不大，理論是隨著時(shí)間變的，當(dāng)實(shí)驗(yàn)推翻理論以后，又有新的理論，我認(rèn)為最主要的事情就是把實(shí)驗(yàn)做好，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)做正確了以后，任何理論都能推翻。

提問：人們認(rèn)為時(shí)間和空間是分離的，后來愛因斯坦認(rèn)為時(shí)空是合在一起的，認(rèn)為是四維空間，有沒有五維空間？

丁肇中：有很多的人認(rèn)為暗物質(zhì)可能是第五空間，假使是這樣的話，剛才給大家講的正電子比例上升，假使有五位空間的話，會(huì)垂直下降，現(xiàn)在看來可能不是垂直下降，所以可能沒有第五維。

My Experince of Physical Experiments(Continued)

DINGZhao-zhong

(Massachusetts Institute of Technology, Boston, USA)

The author discussed the relationship between basic research and technology application first, and pointed out that technological development is rooted in the basic research. Then he introduced the contents and significance of four physical experiments conducted by author himself, and comprehending from each experiment

experiment; physical experiment; basic research; applied technology

2015-01-12

丁肇中(1936-)，男，祖籍山東省日照市，美國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家、華裔美國(guó)人，現(xiàn)任美國(guó)麻省理工學(xué)院教授，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)名譽(yù)教授，曾獲得1976年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他曾發(fā)現(xiàn)一種新的次原子粒子，并命名為“J粒子”。1974年丁肇中與美國(guó)加州斯坦福大學(xué)教授伯頓·里克特幾乎同時(shí)各自發(fā)現(xiàn)新的基本粒子-J/ψ基本粒子，1976年兩位教授因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)及美國(guó)政府的勞倫斯獎(jiǎng)。目前，丁肇中正領(lǐng)導(dǎo)由16個(gè)國(guó)家600名科學(xué)家組成，在國(guó)際空間站上唯一的大型科學(xué)實(shí)驗(yàn)(AMS)，尋找宇宙的起源。

O 571

A

1006-7167(2015)11-0001-04

編者按：丁肇中教授是一位杰出的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家,諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者。他對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)有許多著名的論斷,在許多大學(xué)、科研部門作過關(guān)于一些著名物理實(shí)驗(yàn)及體會(huì)的演講。本刊特選登丁肇中教授在中歐國(guó)際工商學(xué)院大師講堂的《我所經(jīng)歷的物理實(shí)驗(yàn)》報(bào)告，其內(nèi)容豐富，意義深刻。現(xiàn)應(yīng)廣大讀者要求,特予以重發(fā)，以饗讀者。