丁肇中:科学就是多数服从少数

作者: 霍思伊

丁肇中:科学就是多数服从少数0

丁肇中。摄影/王强

“我想丁肇中教授不需要更多的介绍了。”5月16日上午,在中国科学院高能物理研究所举办的“高能论坛”上,所长王贻芳这样“介绍”后,台下掌声雷动。

丁肇中对观众点头示意。在熟悉他的人看来,过去十多年,丁肇中似乎没有太多变化。他照旧一身黑色西装,头发花白但打理利落,讲中文时慢声细语,声音不大,但笃定,说话时习惯双手合十在胸前,显示出一种从容而游刃有余。时间仿佛在他身上凝固了。

和大多数物理学家不同,今年87岁的丁肇中还活跃在科研第一线。他没有退休,是一个超大型国际合作项目阿尔法磁谱仪(AMS)的首席科学家。该项目由他提出,历经波折,直到2011年真正步入正轨,这一年,丁肇中已经75岁了。

过去12年,丁肇中每天早上七点起床,一直工作到晚上七八点,不分周末,极少社交,他几乎把自己100%的精力投入到物理实验“这一件事”中。他频繁出现在各种会议、论坛和电视节目中,定期介绍AMS的最新成果,并发表论文。

作为一名老者,丁肇中脸上的皱纹在增加,腰弯得更厉害了,但物理学家丁肇中一直没变。数十年来,他一直在讲述他的物理发现和物理观。

《经济学人》曾这样评价他:“高能物理中有许多超级聪明与超级自我的科学家,丁肇中在这两方面都鲜有对手。”5月16日的演讲中,丁肇中用一贯笃定的语气说:“自然科学的发展是多数服从少数,只有极少数人把多数人的观点推翻后,科学才能向前走。”

“把多数推翻的极少数”

丁肇中就是“把多数推翻的极少数”,他采取的办法很简单,就是实验。

“实验是自然科学的基础,理论如果没有实验的证明,是没有意义的。当实验推翻了理论以后,才可能创建新的理论,理论不可能推翻实验。过去400年,我们对物质结构的了解,大多来自实验物理。”5月16日的演讲一开场,丁肇中如此强调。一模一样的话,他已说过太多遍。

1976年诺贝尔物理学奖的获奖仪式上,丁肇中决定用中文演讲。他说,中国有一句古话:“劳心者治人,劳力者治于人。”由于这种思想,很多发展中国家的学生们都偏向于理论的研究,而避免实验工作。事实上,自然科学理论不能离开实验的基础,特别是,物理学是从实验产生的。

在物理学界金字塔尖的人物中,人人皆知,丁肇中是坚定的实验主义者,实验既是他的基本价值观,也是方法论。他自述,目前为止一共做了五个重要的实验,这些实验可以被归为两类:第一种是探索宇宙中最基本的结构;第二种是寻找宇宙的起源,横跨最微观和最宏观。

第一个实验是测量电子的半径。1965年,丁肇中刚结束欧洲核子研究中心(CERN)的博士后工作,回到美国,在哥伦比亚大学做讲师。此时,他只有29岁,还是个非常年轻而“无名”的物理学家,但他想要挑战权威。

根据量子电动力学(QED)理论,电子是没有体积的,但1964年,美国哈佛和康奈尔大学的两个团队,通过实验得出一个意外结果:电子半径为10-13~10-14厘米,也就是说,电子是有体积的,量子电动力学是错误的。

此结论一出,物理学界立刻产生震荡,很多人站到QED的对面,但丁肇中却对这一诱人的 “新结果”持怀疑态度。他认为,这是一个关于物理基本观念的实验,因为QED是所有物理学中最准确的理论。从法拉第到麦克斯韦,再到狄拉克,此前所有实验都和理论相符,难道都错了吗?为了更审慎验证QED,他决定自己设计一个新的实验方案,重新测量电子的半径。

他拿着新方案去咨询诺贝尔物理学奖得主、后来任费米国家加速器实验室主任的利昂·莱德曼教授,对方给他泼冷水,说“想法有趣但实现起来非常困难”“至少要三四年”,对于实验要用的很多电子仪器,他以前从未用过,缺乏足够的经验。“我认为你不能做。”莱德曼斩钉截铁地说,还和他赌了20美元。

但这并没有改变丁肇中的想法。和此后的很多次一样,他选择相信自己。他跑到愿意接收他的德国电子同步加速器研究所(DESY),仅八个月后,就有了结果:电子的半径比10-14厘米要小,这意味着电子还是“没有体积”,抑或更准确的表述是无法测量,量子电动力学是正确的。又过了几个月,在一场讨论QED的国际高能物理会议上,哈佛、康奈尔团队各自做了长长的报告,丁肇中突然站起来向主持人提出,能否给他10分钟做一个简短报告。他用扎实的实验数据成功反驳了哈佛、康奈尔团队。后来,丁肇中收到了莱德曼寄来的20美元。

那场高能物理会上,现场被成功说服的人中,有一位物理学家叫理查德·费曼。十年后,到生命尽头仍保持孩子气的费曼给丁肇中写了封信,他“质问”道:“为什么诺贝尔奖要发给你?你所发现的新现象是我没有预料到也不了解的?”“我挑战你去发现一些我可以理解的东西。”

这是1976年10月21日,丁肇中因发现J粒子而获得诺贝尔物理学奖后的第三天,丁肇中成为继杨振宁、李政道之后第三位获得诺贝尔奖的华裔科学家。那一年,他年仅40岁。

J粒子的发现是丁肇中物理生涯中的第二个重要实验。现在,我们都知道物质的基本构成,每个原子周围都旋转着一层层带负电的电子,这是基本粒子家族中最先被发现的成员。原子内的原子核,由质子和中子构成,再进一步解剖,组成它们的单元叫夸克,也就是说,夸克是构成自然界基本元素的最小的不可分割单元。当然,这只是目前的结论,物理学家间流行的一种说法是,粒子就像洋葱,剥掉一层之后,下面总会有另一层。

20世纪50~70年代,人类只发现了三种夸克。丁肇中觉得很奇怪,为什么没有第四种、第五种?在当时主流物理学界看来,这一想法既没意义,也很难突破。有物理学家对他说:“这三种夸克已经可以解释所有已知的现象,为什么还要找第四个,没有必要。”

从实验设计层面,要想寻找新的夸克,难度极大,对探测器的灵敏度和实验的精度都要求极高,丁肇中自己形容“相当于北京下雨时,要在每秒钟的100亿个雨滴中找到一个红色雨滴”。诺奖委员会在颁奖时也将这件事的难度描述为“在大型喷气式飞机起飞时尝试听到一只蟋蟀的叫声”。

丁肇中说:“我所做过的每一个实验,都有两个特点:学理论的人都说这个实验没有意义,学实验的人认为这么困难的实验没有人能做出来。”但他不管这些,“做你认为正确的事,不要因为大多数人的反对而改变自己的正确想法。”丁肇中说。

在几乎被所有实验室拒绝后,美国布鲁克海文国家实验室同意了他的请求。1974年,他果然发现了第四种夸克的存在,这就是J粒子,它的寿命比已知粒子长1万倍,这是一种奇特的属性。后来,第五种、第六种夸克也被陆续发现。现在,微观物质世界的基本结构清晰展现在我们眼前,这一结构非常简洁,由12种、三代基本粒子构成,其中有六种夸克,六种轻子。

和其他等待几十年才获诺奖的科学家相比,丁肇中发现J粒子两年后就获奖,被认为是“历史上最快的获奖者之一”。

对自己的获奖,丁肇中认为“兴奋蒙蔽了他们(诺奖委员会)的判断”。他始终记得费曼给他的那封信中还有一句话:“不要因为获奖,就认为自己变成专家。”这句话深远地影响了他。在“高能论坛”上,有提问者请他谈对撞机的未来,哪些领域可能产生新的发现,他说:“我不知道。”他从不谈论自己不了解的事情。

“最重要的是,一定要认为自己的能力是有上限的,要怀疑自己的能力,要时刻小心谨慎。”丁肇中说,比如要知道仪器什么时候有不正常的现象,这样就可以把这一块的数据取消掉。“假设仪器有故障而你不知道,就会得出错误的结果。”

和他共同获诺奖的伯顿·里希特认为丁肇中是“一个极其谨慎的人,对实验的所有细节都很在意”。在硬币的另一面,《自然》杂志曾评论称,丁肇中对细节的执着导向了他充满控制欲的管理风格。

“科学上的事情不能用投票解决”

凭借一次次“光辉的战绩”,丁肇中搭建起了遍及全球的影响力。到1979年,丁肇中领导的MARK-J实验在德国的PETRA正负电子对撞机上发现了胶子。

如果说基本粒子是构成物质世界的“砖头”,胶子就是“水泥”,负责“粘合”粒子,其作用是传递粒子间的相互作用。不过,与没人预料到的J粒子不同,胶子的存在早已被预测,只是被丁肇中的实验最终验证了。

此时,他已是麻省理工学院 (MIT) 物理系的终身教授。1969年加入MIT时, 他唯一的条件是“允许在任何地方做实验”。获得支持后,他得以在MIT任职的同时长期在欧洲工作。此时,他的第三个重要实验得以开展,这也是他牵头组织的第一个全球合作项目,共有中国、美国、德国、西班牙和荷兰五个国家的机构参与。1979年9月,《纽约时报》头版报道胶子的发现,文中特别提到:“27名中国科学家参加了这次实验,在核粒子的国际合作项目史上,这是第一次,也是中国的一大贡献。”

胶子的发现,开启了此后半个世纪丁肇中和中国物理学家的合作,先后有近1000名中国科学家参与了他的实验,包括唐孝威、陈和生、郑志鹏、王贻芳等人,他们回国后成为中国高能物理研究的中坚力量。这一切的起始是1977年8月,刚复出不久的邓小平对丁肇中建议,每年派10位中国科学家加入他的实验室。1978年1月起,一批批中国科学家被送了出去。1979年1月,中美正式建交,邓小平来美的“破冰”之旅中,两国正式签订《中美高能物理合作执行协议》。

王贻芳1984年从南京大学原子核物理专业毕业后,被选入丁肇中在欧洲核子研究中心(CERN)的L3实验组。此时,丁肇中的研究地点已从德国转移到瑞士日内瓦近郊,这里坐落着一个周长达27千米的正负电子对撞机(LEP),1989年正式投入使用。运行时,能量分别达1000亿电子伏特的正、负电子相撞,对撞时的温度是太阳表面温度的4000亿倍,也是宇宙诞生最初的1000亿亿分之一秒时的温度。丁肇中团队设计了一个非常巨大的L3探测器,有六层楼高,目的是寻找宇宙中最基本的粒子,研究宇宙的起源。

从1982年~2003年,丁肇中花了20年投入到L3实验中,这是他的第四个重要实验。最后得出两个重要的实验结果:宇宙中只有三种不同的电子和六种夸克;电子和夸克都没有体积,半径都小于10-17厘米。L3实验共发表了300篇文章,有300人因此获得博士学位,但丁肇中仍觉得“相当不幸”,因为所有结果都与标准模型一致,这是他不想看到的。他说,当实验与理论一致时,我们学到的东西是有限的。只有不一致时,科学才有新的进展。

尤其令他不甘心的一点是,电子仍无法被测量。从1965年起,历经40多年,丁肇中才把电子半径的范围从10-14厘米缩小到10-17厘米,直到现在,他仍对此念念不忘。5月16日的采访中,丁肇中对《中国新闻周刊》说,这是一个很简单但却非常奇怪的现象,我们每天都在使用电,但你去测电子的体积,却永远找不到,永远比粒子的尺度要小。

L3实验中,丁肇中的国际合作团队更加庞大,共有美国、中国、苏联等19个国家的600多名科学家参与,中国的主要贡献是精密仪器制造和物理分析。王贻芳参与了L3实验中重要的物理分析工作。5月16日下午,高能所举办的一场对谈活动中,王贻芳说,MARK-J实验中,丁肇中有意把每个中国科学家分到实验的不同层面,覆盖到整个高能物理实验的各种领域方向,这也是后来北京正负电子对撞机(BEPC)建设相对顺利的原因。参与MARK -J实验的第一、二批人,日后都成为了BEPC和北京谱仪的核心骨干人员。“每个子系统的人都是从MARK-J训练出来的。”王贻芳说。

王贻芳指出,中国高能物理的发展得益于国际合作,从丁肇中领导的MARK -J实验开始,中国科学家迅速掌握了国际上最前沿的方法、技术和思想,并以最快速度融入到国际高能物理研究的大环境中。丁肇生在对谈中还强调,中国不仅要积极参与别人主导的国际合作,还要主动出击,“在什么地方合作也是非常重要的”。

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