丁肇中:“我所经历的现代化物理与我的体会”
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丁肇中:“我所经历的现代化物理与我的体会”

5月21日,在2023大湾区科学论坛上,1976年诺贝尔物理学奖得主、中国科学院外籍院士丁肇中在以《我所经历的现代化物理与我的体会》为主题的报告中,讲述了自己半世纪以来所经历的实验物理和国际合作。

“我的大多数实验,受到很多人的反对。理由第一是实验没有物理意义,第二是实验机器困难,不可能成功。但是,每个实验都发现新的仪器,让实验成功。实验的结果改变了我们对宇宙的认知。”丁肇中说。

5月21日,1976年诺贝尔物理学奖获得者、中国科学院外籍院士丁肇中作主旨报告

5月21日,1976年诺贝尔物理学奖获得者、中国科学院外籍院士丁肇中作主旨报告

“不要因为大多数人反对而改变你的兴趣”

丁肇中的现代物理学事业起始于28岁那年,那是1965年,他放弃了在美国大学的前程,跑去德国新建的电子加速器(DESY),使用与当时专家完全不同的方法,重做了正负电子对实验。八个月后,他的实验证明:量子电动力学是正确的,电子没有体积。

这件事让丁肇中得到了科研生涯中第一个重要的体会,“做实验物理不要盲从专家的结论”。

之后的70年代,丁肇中从事有关光子和重光子的一系列实验。这些实验“不受物理界的欢迎”:在理论物理学家眼中,寻找高质量的重光子物理意义不大;在实验物理学家心中,没有人能完成如此困难的实验。

这个实验有多难呢?丁肇中打了一个比方:“这相当于广州下雨的时候每秒钟有100亿滴雨,中间有一滴是红的,要把这滴红的找出来。”

“所以必须发展全新的非常精确的、非常强的放射线下能正常工作的全部仪器。”丁肇中说,为了每秒钟产生1万亿J粒子的背景,整个探测器和工作人员一定要在很强的放射线下做这个实验,所以他们设置了很强的放射频率,用了1万吨水泥、5吨铀、100吨铅和5吨肥皂,肥皂是用来防止中子。

丁肇中幽默地说:“多少年来请求经费都受到很大的支持,唯一比较困难的就是问政府要钱买5吨肥皂。”

1974年,丁肇中带着团队发现了J粒子。“它的重要性类似于我们发现一个偏僻的村子里面所有的人不是100岁,而是100万岁,这就表示他们和我们普通人是不一样的。”丁肇中说。

英国《曼彻斯特报》曾称1974这一年为“丁肇中年”。一时间,科学界生机勃勃起来。

这件事让丁肇中感慨:“做基础研究要对自己有信心,做你认为正确的事情,自然科学的发展是多数服从少数,少数人把多数人的观念推翻了以后才能向前走,千万不要因为大多数人反对而改变你的兴趣。”

“当实验和理论不符合的时候,你才可以学到新的东西”

丁肇中经历的第三个重要现代物理实验,是一个有中国科学家参加的大型国际实验。这项实验在德国汉堡的460亿电子伏对撞机上完成,原本,实验的目标是继续寻找电子的半径,结果却意外发现了胶子。

1979年9月2日,美国《纽约时报》出版报道了新的发现,报道中特意提到了“27名中国科学家参加了这个实验”。

“作为一名实验科学家,对意料之外的现象要有充分的准备。”丁肇中到论坛与会者分享了第三个体会。

丁肇中经历的第四个重要实验是L3实验。实验耗时20年,目标是研究宇宙的起源,来自19个国家的600多名科学家参与其中,中国的主要贡献一方面是精密仪器,如中国科学院上海硅酸盐所研发的GGO晶体和数据分析,另一方面是物理分析,中国科学院高能所陈和生院士、王贻芳院士、陈刚、王建春、陈国明等作出了非常重要的贡献。

“这项研究的所有的结果都与电弱理论符合。这是很不幸的事情,所有结果和理论符合,你学到的东西很少。当实验和理论不符合的时候,你才可以学到新的东西。我个人认为,这个实验并不是特别成功。”丁肇中说。

他认为,对于国际合作而言,要选科学上最重要的题目,引起参加国科学家的最大兴趣,同时,对贡献大的国家,要有优先的认可,并使之得到国际上的公认,才能得到参加国政府长期的优先支持。

“中国有世界一流的实验物理学家”

做完L3实验后,60岁的丁肇中还在继续思考下一步做些什么。“我想我应该做一个从来没有做过的、别人认为不可能的事。”丁肇中说。

这件事,就是丁肇中至今仍在做的、国际空间站上的阿尔法磁谱仪(AMS)实验。

该实验的目标是研究宇宙线,这一次,中国科学院高能所是AMS的发起团队之一,中国科学家深度参与其中。

AMS的探测器是由欧洲和亚洲各国制造,在欧洲合资中心组装和测试,得到美国宇航局、欧洲宇航局、中国科学院、科技部和航天部的支持和帮助。2011年5月16日,美国宇航局“奋进号”航天飞机搭载AMS-02从佛罗里达州肯尼迪航天中心发射升空。

丁肇中介绍,目前,AMS已经取得了一批重大成果。例如,发现宇宙中正电子能谱在高能区有截断,高能正电子谱有超出,可以用暗物质粒子来解释,也可能来源于超新星;发现正电子能谱与质子能谱很相似;发现宇宙线中许多核素的刚度谱极为相似等。这些发现很难用现有理论解释。

“宇宙是最广阔的实验室,可是我们对宇宙的认识是有限的。我们所有的观察结果都和现在的理论不符合,所以这让我非常高兴,带来了对宇宙新的认识,我们将不断地扩展我们对宇宙的认识。”丁肇中说。

丁肇中从事现代物理实验的半个世纪,也是与中国科学家合作逐渐深入的半个世纪。丁肇中分享了他对中国科学家最深刻的体会:“中国有世界一流的实验物理学家,他们有想象力,有发展新技术、领导国际合作的能力和经验,可以组织最前沿最新的实验,继续为人类知识做出重要的贡献。”

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