丁肇中
(麻省理工學院,馬薩諸塞州 02179-4307,美國)
第3個實驗是1979年發(fā)現(xiàn)膠子。剛才已經(jīng)和大家介紹過了,原子外面是電子,元素按照電子排布就變成周期表。原子里面有原子核,原子核里面有粒子,粒子里面有夸克,把夸克“綁”在一起的是膠子。發(fā)現(xiàn)膠子的意義是很大的。宇宙中有三種力:一種是引力。引力波從1942年開始探測,現(xiàn)在才發(fā)現(xiàn),去年拿到了諾貝爾獎;電弱力是由光、Z0、W±子傳輸?shù)模粡娏?,是在夸克中間的力,是由膠子傳輸?shù)摹?/p>
在上世紀七十年代,世界上最大的加速器,是在德國漢堡名為PETRA的300億eV對撞機(圖10),這是我的實驗。實驗目的是繼續(xù)找電子的半徑。
圖10 德國漢堡PETRA300億電子伏特對撞機
我一直很奇怪,為什么我們天天用電,卻永遠也找不到電子的半徑。那個時候,中國有件事“文化大革命”,可那個時候我天天在實驗室中,并不知道這個是什么,1975年回中國以后才知道有個叫“文革”。1977年8月17日回到中國,鄧小平主席建議每年派10個科學家參加我的工作(圖11)。從那個時候起,中國科學家參加我們團隊,做出了世界公認的貢獻。1978年以來,有超過了1000位中國科學家來參加了我的實驗。有部分的科學家回到中國,比方說中國科學院的唐孝威、陳和生、鄭志鵬、王貽芳和山東大學的程林教授等。有一部分留在國外,留在麻省理工學院、加州理工學院、密西根大學,還有很多其他大學。這是1978年第一批到德國實驗室的科學家的照片(圖12),中間這一位是我的妻子。
圖11 1977年8月鄧小平接見丁肇中
圖12 第一批到德國實驗室的科學家
怎么樣使膠子發(fā)現(xiàn):當有一個能量很高的正電子和負電子碰撞的時候,能量就變成質(zhì)量,質(zhì)量可以產(chǎn)生成夸克??淇顺鰜硪院螅妥兂梢粋€噴注;然后有反夸克,也放出一個噴注。假使有膠子存在,就會有另外一個能量。膠子能量很低的時候有兩個噴注,隨著膠子的能量增高,會有3個噴注。發(fā)現(xiàn)相應的現(xiàn)象就意味著除了夸克以外,還有膠子(圖13)。
圖13 實驗的現(xiàn)象意味著除了夸克以外還有膠子
所以膠子的發(fā)現(xiàn)是非常重要的。1979年9月2日,美國《紐約時報》頭版整篇的消息介紹了這個實驗(圖14)。中間有一段說:27名中國科學家參加了主要的實驗。在有關(guān)核粒子的國際合作研究史上,這是第一次,也是中國的一個重要的貢獻。當年的人民日報也報道了關(guān)于膠子的發(fā)現(xiàn)(圖15)。
所以做實驗的第三個體會:對意外的現(xiàn)象要有充分的準備。因為我開始做實驗的時候根本沒想到會發(fā)現(xiàn)膠子。
圖14 紐約時報報道膠子的發(fā)現(xiàn)
圖15 人民日報的報道
第4個實驗花了20年,在歐洲核子中心的L3實驗(圖16),就是用周長27 km的正負電子對撞機完成的,用1 000億eV的正電子和1 000億eV的電子對撞。至于對撞的溫度,大家可以想到,1 000億eV的電子對撞,產(chǎn)生的光是很亮的。日光燈管是220 V,1 000億eV對撞時的溫度是太陽表面溫度的4 000億倍,是宇宙誕生最初的1 000億億分之一秒時的溫度,也就相當于在實驗室里制造宇宙剛開始時的溫度。
圖16 第4個實驗
要找什么呢?要找宇宙中最基本的粒子。我們說,通常用電,有電子。在宇宙中有幾種不同的電子?電子到底有沒有體積?電子能不能分成更小的東西?你要是問理論物理學家,他們會告訴你,這些都知道了,想這些是沒有意義的。人們之前認為宇宙中只有3種夸克,第4個夸克被我發(fā)現(xiàn)以后,現(xiàn)在第5種第6種都已經(jīng)找到了。發(fā)現(xiàn)了第4種,就意味著原來的觀念是錯誤的。到底有多少種夸克?夸克有多大?理論物理學家覺得,這些問題他們已經(jīng)都知道了??梢遣蝗プ鰧嶒?,你永遠不知道事實是怎么回事。
L3是一個很大的國際合作組,有很多的國家參加。原來是十幾個國家,在做這個實驗的時候,蘇聯(lián)忽然“變成”很多個國家了。實驗用的核心儀器和一間屋子差不多大,包含不少的探測器,儀器內(nèi)部放有晶體。儀器中的磁鐵都是由線圈組成的,有28個線圈,每個重40 t。蘇聯(lián)科學院制造的量能器,有300 t的鈾,10萬個電子信號通道。(圖17)L3實驗是首次美國、 蘇聯(lián)(前)、中國(臺灣)、歐洲等19個國家的600名科學家,共同參加的大型國際合作。中國的主要貢獻是由上海(中科院)硅酸鹽所生產(chǎn)的BGO晶體,BGO晶體是透明的,其比重和鋼相同。當時世界年產(chǎn)量只有4 kg,可是我需要12 t。這個問題被上??茖W院(中科院硅鹽酸所)解決了?,F(xiàn)在他們的晶體產(chǎn)品,已被廣泛用于世界的工業(yè)及醫(yī)學領(lǐng)域。
圖17 實驗所用電磁鐵、量能器
儀器的電磁鐵和300 t鈾均來自蘇聯(lián)。這是蘇聯(lián)70年來在國外做的最大的實驗。那段時間我經(jīng)常到莫斯科去,最大的印象就是那邊的飯不好吃。這個實驗20年發(fā)表了300篇文章,有300個人獲得博士學位?!犊茖W美國人》用雜志封面介紹了我的實驗。實驗的結(jié)果可以用三句話總結(jié)一下:
(1)宇宙中只有三種不同的電子。第一種就是我們天天使用的,“走過”導線的電子;第二種是宇宙線上的電子。宇宙線上的電子比我們通常用的電子(即第一種)重200倍;再有一種就是原子里面的電子,比我們通常用的電子重4 000倍。
(2)電子是沒有體積的,電子的半徑小于10-17cm。我開始做實驗的時候,證明電子半徑小于10-14cm,經(jīng)過30年的時間減少了三個數(shù)量級,就是(意味著)永遠找不到電子的半徑精確的數(shù)值。這個是非常奇怪的現(xiàn)象。我們天天用電,但永遠找不到電子的半徑。
(3)夸克也是沒有體積的,夸克的半徑也小于10-17cm。
我的第四點體會:組織一個大型的國際合作,最重要的是要選科學上最重要的題目,引起參加國科學家最大的興趣。因為我并沒有權(quán)利要求各國政府支持我,只能幫助他們的科學家向政府解釋實驗的做法。
更重要的是,科學是很多人一起做的,絕不是我一個人做的。所以對貢獻大的科學家(投影材料上為“國家”),要有優(yōu)先的認可,并使之得到國際上的公認,這樣才能得到參加國政府長期的優(yōu)先支持。人家支持你,你卻把所有的結(jié)果都認為是你自己的,這就很不對。