從物理實驗中獲得的體會.doc

從物理實驗中獲得的體會演講人：丁肇中 地點：上海中歐國際工商學(xué)院大師課堂 時間：2014年10月作者：丁肇中 光明日報（ 2015年01月29日11版）我向大家介紹的是我所經(jīng)歷的實驗，講我所做的實驗，我的實驗包括兩種，第一種，探索宇宙中最基本的結(jié)構(gòu)，另一種是尋找宇宙的起源，在國際空間站上。我小時候在重慶長大，那個時候常常有日本飛機徘徊在上空，所以我沒有機會上學(xué)，同時，那個時候我對上學(xué)特別沒有興趣。今天，我們正享受著由人們對基礎(chǔ)學(xué)科的研究所帶來的成果，這里包括技術(shù)、通訊、計算機、交通、醫(yī)療等，這些大大提高了我們的生活質(zhì)量。人們常常忘記為這些成果奠定基礎(chǔ)的科學(xué)家，這些科學(xué)家是出于對自然界的好奇，才開始的探索和研究。這是一座由基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)用技術(shù)的金字塔。100年前，最尖端的科學(xué)是光學(xué)、力學(xué)，現(xiàn)在被用在電視、無線電、航空航天工程；20世紀(jì)30年代，最尖端的科學(xué)就是量子力學(xué)和原子物理，當(dāng)時所有人都不理解它的用處，現(xiàn)在被用在IT上；20世紀(jì)40年代最尖端的科學(xué)是原子核物理，現(xiàn)在被用在核聚變。從大距離方面看，20世紀(jì)30年代最尖端的科學(xué)，就是對太陽系的研究，現(xiàn)在被用在導(dǎo)航和定時上，金字塔不斷的增高，因為研究不斷擴大它的底部，基礎(chǔ)研究越來越走到角落，因為它遠(yuǎn)離日常生活。許多人認(rèn)為，如果一個國家想要在技術(shù)和經(jīng)濟方面有競爭力，它必須集中于能實際有市場效益的實用性技術(shù)的發(fā)展，并使經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展。從歷史的觀點來看，這觀點是錯誤的。如果一個社會將自己局限于技術(shù)轉(zhuǎn)化，顯然，經(jīng)過一段時間，基礎(chǔ)研究不能發(fā)現(xiàn)新的知識和新的現(xiàn)象后，也就沒有什么可以轉(zhuǎn)化的。所以，技術(shù)的發(fā)展是生根于基礎(chǔ)研究之中。實驗是自然科學(xué)的基礎(chǔ)，理論如果沒有實驗的證明，是沒有意義的。當(dāng)實驗推翻了理論后，才可能創(chuàng)建新的理論，但理論不可能推翻實驗。給大家介紹幾個我做的實驗。實驗1很早以前，中國人就認(rèn)為世界是由金木水火土構(gòu)成的。到19世紀(jì)初，周期表被發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時所有人認(rèn)為最簡單的東西是近一百個周期表上的元素，再后來就認(rèn)為原子核是最基本的東西，到了20世紀(jì)70年代，我們又發(fā)現(xiàn)原子核里面幾百個基本粒子是最基本的，現(xiàn)在我們又知道6種夸克和3種電子是最基本的。所以，物理學(xué)的知識是隨著時間而變的。1974年前物理學(xué)界認(rèn)為，宇宙最基本的結(jié)構(gòu)是三種夸克，我就問，為什么只有三種夸克？為了尋找新夸克，70年代初我設(shè)計了一個實驗，實驗要求精確度是極高的，相當(dāng)于在北京下雨時，每秒鐘有100億個雨滴，如果有一個雨滴是不一樣的，必須在一秒鐘之內(nèi)找出來。當(dāng)時，大家都相信只有三種夸克，這三種夸克已經(jīng)可以解釋所有已知的物理現(xiàn)象，所以，我設(shè)計的這個“麻煩”實驗不受物理學(xué)界歡迎。而1972年，美國的布魯凱文實驗室接受了我們的實驗，為了從100億個已知粒子中找到一個新粒子，這個實驗，必須每秒鐘輸入100億高能量的質(zhì)子到探測器上，在這么多的質(zhì)子輸入探測器所產(chǎn)生的放射線會徹底破壞探測器，對工作人員也是非常危險的。因此，必須發(fā)展全新的，精確的，在非常強的放射線下能正常工作的全部儀器，也必須設(shè)計安全的屏蔽系統(tǒng)。為了保護人，先用5噸的鈾，100噸的鉛，然后用10000噸的水泥，把這些放射性去掉。最后用了肥皂，因為含水最多，所以用了5噸肥皂吸收了中子。開始向美國政府請求經(jīng)費買5噸的肥皂，后來麻省理工學(xué)院說，不用美國政府出，由麻省理工學(xué)院出。正是這么多屏蔽，一個小時以后，輻射區(qū)的放射能量為5倫琴/小時，還是非常非常危險的。兩年以后，我們果然發(fā)現(xiàn)了一種新的粒子，它有一種特殊現(xiàn)象，壽命比已知的粒子長10000倍。新的粒子發(fā)現(xiàn)以后，很快同樣壽命的粒子也被發(fā)現(xiàn)，它的重要性類似于我們發(fā)現(xiàn)一個偏僻的村子里所有的人不是一百歲，而是一百萬歲。新粒子的發(fā)現(xiàn)，證明了宇宙中有新的物質(zhì)存在，它們是由新的夸克組成的，所以我們把它命名為J粒子。J粒子的發(fā)現(xiàn)，改變了物理學(xué)家長期認(rèn)為世界上只有三種夸克的觀念，改變了人類對于物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的認(rèn)識。繼J粒子之后，人們又找到了新的粒子，現(xiàn)在我們已經(jīng)知道，世界上至少存在6種不同的夸克。這個實驗的發(fā)現(xiàn)讓我拿到了諾貝爾獎。拿到諾貝爾獎以后，我就跟瑞典皇家科學(xué)院說，諾貝爾獎一百年了，從來沒有人用中文，所以我要用中文作報告，當(dāng)時美國大使來找我說：“你出生在美國，為什么用中文？”我說：“中國是世界上最古老的文明，所以我要用中文。”這是我當(dāng)時說的。得到諾貝爾獎，是一個科學(xué)家最大的榮譽，我是在舊中國長大的，因此想借這個機會向在發(fā)展中國家的青年強調(diào)實驗工作的重要性。中國有一句古話，“勞心者治人，勞力者治于人”，這種落后的思想，對在發(fā)展中國家的青年們有很大的害處。事實上自然科學(xué)理論不能離開實驗的基礎(chǔ)，特別是物理學(xué)就是從實驗產(chǎn)生的。我的第一點體會，做事情要對自己有信心，做你認(rèn)為正確的事，不要怕困難，更不要因為多數(shù)人的反對而改變。實驗21979年，膠子的發(fā)現(xiàn)。1977年8月，鄧小平建議每年派10位科學(xué)家參加我的工作，從那時候到現(xiàn)在，大概有上千個中國科學(xué)家到我這里工作過，包括很多的院士。在20世紀(jì)70年代德國有一個很大的加速器，是300億電子伏的電子對撞機，周長是7公里，我的目的就是測量電子的半徑。結(jié)果發(fā)現(xiàn)一個很重要的東西，叫膠子。原子里面有原子核，里面有電子，電子里面有粒子，粒子里面有膠子，1612年，宇宙中物質(zhì)之間被發(fā)現(xiàn)存在引力，但到現(xiàn)在為止沒有人知道引力是怎么回事。電磁力是由光來傳輸?shù)?，強力就是由膠子來傳輸?shù)摹?7名中國科學(xué)家參加了這次主要的實驗，這是非常重要的貢獻(xiàn)。第二點體會，這個實驗原來的目標(biāo)是測量電子的半徑，所以做基礎(chǔ)研究對意料之外的現(xiàn)象要有充分的準(zhǔn)備，實驗3在西歐核子中心一個叫CERN的實驗。西歐核子中心有一個周長27公里的加速器，這里最重要的發(fā)現(xiàn)就是互聯(lián)網(wǎng)。剛才已經(jīng)說過了，第一個問題，到底有多少種電子？電子有多大？電子能不能再分成更小的粒子？有多少種夸克？開始都認(rèn)為只有3種，后來發(fā)現(xiàn)錯了，現(xiàn)在有6種?？淇擞卸啻?？夸克能不能再分成更小的粒子？所以我們用的是1000億電子伏的電子和1000億電子伏的正電子對撞，產(chǎn)生很高的溫度，是太陽表面4千億倍的溫度。我的實驗就是在實驗室里制造宇宙大爆炸最開始的情況。這個實驗是很大的，從上到下大概六層樓高，磁鐵重1萬噸，里面有300噸的鈾是來自蘇聯(lián)。這個實驗是首次由美國、蘇聯(lián)、中國、歐洲等19個國家的600名科學(xué)家共同參加的大型國際合作，中國最主要的貢獻(xiàn)就是上海硅酸鹽所生產(chǎn)的BGO晶體，BGO是透明的，但是重量和不銹鋼一樣。當(dāng)時世界的年產(chǎn)量只有4公斤，我們需要12噸，這個問題后來被硅酸鹽所解決了，那時候我經(jīng)常到上海來。BGO等于透明的不銹鋼，現(xiàn)在被廣泛用于世界的醫(yī)學(xué)以及工業(yè)。這個實驗共發(fā)表了300篇文章，有300人獲博士學(xué)位。這300篇文章的基本觀念非常簡單，第一，我們知道宇宙中只有三種不同的電子，第二，電子是沒有體積的，電子半徑小于10的負(fù)17次方厘米，第三，夸克也是沒有體積的，夸克半徑小于10的負(fù)17次方厘米。第三點體會，要領(lǐng)導(dǎo)和主持一個大型國際科學(xué)合作，最主要的是選擇科學(xué)上最重要的題目，引起參加國科學(xué)家最大的興趣。對貢獻(xiàn)大的科學(xué)家，要有優(yōu)先的認(rèn)可，并使之得到供給上的公認(rèn)。這樣才能得到參加國政府長期的優(yōu)先支持。實驗4再講一下我現(xiàn)在做什么，就是尋找宇宙的起源。國際空間站上的AMS實驗，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年中國天文學(xué)家觀測到的超新星。這是從哈勃望遠(yuǎn)鏡看到兩個星系碰撞，一個星系就被另外一個星系吃掉了。所以在國際空間站上的基礎(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，因為帶電，就一定有質(zhì)量，因為帶電就必須有磁場。AMS放置在國際空間站上，長時間的測量高能帶電的宇宙射線。這是首次由美國、中國、俄羅斯、芬蘭、法國、德國、意大利、瑞士等16個國家和地區(qū)在空間領(lǐng)域合作的實驗，有60個大學(xué)和研究所、600多位科學(xué)家共同參與。因為從來沒有人把磁體放在身上，所以美國的宇航局就說，我怎么知道你做的事情是對的，你先把磁體放在航天飛機上飛行十天。我們中國科學(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。這個實驗的成功，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行正常，6月2日，裝有中國制造的巨大永磁體的阿爾法磁譜儀首次搭乘美國發(fā)現(xiàn)號航天飛機升空。成功之后，我們就開始準(zhǔn)備第二個實驗，2005年，美國有一架航天飛機失事，美國宇航局就說再也不用航天飛機做實驗了，把所有的實驗都取消，唯一不同意這個決定的就是我，我說你這個決定是錯誤的，花了1000億美金，一次失事就取消所有的實驗是不明智的，后來到2008年，美國參議院、眾議院全體通過了一個法律，指示宇航局為我們增加一班航天飛機，把AMS送入國際空間站。因為是全體通過，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法律。到2008年，奧巴馬競選總統(tǒng)的時候，他也贊成國會增加至少一次的航天飛機航班用于有價值的任務(wù)。被送上太空的儀器體積543米，重7.5噸。這是首次在太空中進行的大型精密物理實驗，最重要的是，所有的探測器都是我們自己發(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。穿越輻射探測器主要來自德國，美國和意大利參與，它的主要任務(wù)是分辨正電子和負(fù)電子。硅微條探測器共9層，有20萬個電子信號通道，坐標(biāo)精確度10微米，中山大學(xué)也有重要貢獻(xiàn)。環(huán)形切倫科夫服探測器，分辨原子核，測量它的能量，有11000個光電倍增管。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27公里的加速器里，模擬所有的宇宙線，進行長期的測量。測量之后，離發(fā)射的時間已經(jīng)很近了，原來我們想用一架德國航空公司的波音747運輸機，但必須把我們的儀器分成兩份，后來我考慮了一下，用20萬條電子信號通道，分成兩份，有一定的危險，所以我就借了一個C5運輸機在肯尼迪航天中心降落，就在空間站處理中心停了五六個月，然后送到發(fā)射臺上。在肯尼迪航天中心最主要的一個任務(wù)，就是讓我們的儀器與比例相同的空間站做接軌的實驗，表示到了太空能裝進去，如果裝不進去就比較困難了。起飛前幾天，我要求發(fā)射臺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，過了很久的時間，我單獨地想了想，想了好幾個鐘頭：在過去的16年，很多國家一起合作，每一個重要決定我都想了，有沒有錯誤的決定，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，沒有想出錯誤，就離開了。我離開以后，他們就開始讓這6個宇航員到發(fā)射臺上。2011年5月16日上午，航天飛機為送7.5噸離地面700公里的地方需要的燃料起飛，航天飛機的重量是110噸，外掛的氫和氧756噸，兩個固定火箭是1142噸，總共是2008噸。國際空間站每90分鐘繞地球一周，速度是每小時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。向大家介紹一兩個最新的結(jié)果，大家千萬記住，物理上的基本原理非常重要，升空到現(xiàn)在，我們收到540億個宇宙線數(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，我們會搜集到3000億個數(shù)據(jù)，這將提供前所未有的精度，以探索宇宙。第一個目標(biāo)，尋找宇宙中的暗物質(zhì)，宇宙中90%的物質(zhì)是看不見的，因為看不見，我們叫它暗物質(zhì)。宇宙線包括質(zhì)子、電子、氦，這些射線碰撞的時候會產(chǎn)生能量，會變成質(zhì)量，會產(chǎn)生正電子，暗物質(zhì)，我們叫作中性微子，碰撞的時候會產(chǎn)生額外的正電子。這些額外的正電子，都會被我們精確地測量到。到底找到暗物質(zhì)沒有？現(xiàn)在已探測到的五種結(jié)果都和暗物質(zhì)有關(guān)，唯一還沒有確定的是下降時間，下降得很快，一定是暗物質(zhì)。另外一個目標(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)該有同樣數(shù)量物質(zhì)與反物質(zhì)。要找反物質(zhì)，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。宇宙是最廣闊的實驗室，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行實驗的儀器。我個人認(rèn)為，我們最重要的目標(biāo)是探測未知，探索自然界的存在，探索我們無法想象也無法發(fā)現(xiàn)的事實。因此，專家評審并不是絕對有用的，因為專家評審要依靠現(xiàn)有的知識。最后一個體會，自然科學(xué)的研究是具有競爭性的，只有第一，沒有第二，沒有人知道是誰第二個發(fā)現(xiàn)相對論。丁肇中作者： 光明日報（ 2015年01月29日11版）出生在美國密歇根州的安娜堡，他的父母本想讓他出生在中國，不過當(dāng)他父母在訪問美國的時候，他提前出生了，所以，丁肇中成了美國公民。在出生兩個月后丁肇中隨父母回到中國。由于中國那時是在戰(zhàn)亂時期，丁肇中童年沒有接受到傳統(tǒng)的教育，他12歲之前，主要由他的父母在家里教育他。他12歲到了臺灣，經(jīng)過不到一年刻苦努力的學(xué)習(xí)，以優(yōu)異的成績考入了臺北市成功中學(xué)。一年后轉(zhuǎn)學(xué)到建國中學(xué)讀書。1955年高中畢業(yè)后，丁肇中考進臺南市國立成功大學(xué)機械工程系。后來，他前往美國密歇根大學(xué)修習(xí)工程學(xué)、數(shù)學(xué)和物理學(xué)。1959年，獲得數(shù)學(xué)和物理學(xué)學(xué)士學(xué)位。1962年獲得物理博士學(xué)位。1963年，他獲得福特基金會的獎學(xué)金，到瑞士日內(nèi)瓦歐洲核子研究中心（CERN）工作。1964年起丁肇中開始在美國哥倫比亞大學(xué)工作。1965年成為紐約哥倫比亞大學(xué)講師。1967年起任麻省理工學(xué)院物