丁肇中:“好奇心是科学研究的原动力”
丁肇中教授9月16日在上海交通大学的讲演（节选）
中国在世界科学和技术两个方面的发展中做出了重要贡献，这在古代论著上都有记载。在科学方面，中国早期的科学成就，例如光与物质的相互作用、超新星的观测记录等，为物理研究打下了基础；在技术方面，中国的贡献包括火药、指南针、造纸术和印刷术等发明。这些都对人类历史的进程产生了重要影响。
今天，我们正享受着由基础研究所带来的前所未有的技术成果，例如在通讯、计算机、交通、医疗保健等诸多领域，大大提高和改善了我们的生活质量。这就是为什么要支持基础研究工作的理由。
基础研究应该得到有力的支持
基础研究工作的原始动力是好奇心，而不是出自于经济利益的考虑。比如，20年来与中国科学家合作寻找宇宙中的最基本的粒子。为寻找质量的来源，21世纪将建成能量更高的加速器。在寻找由反物质粒子组成的宇宙（反宇宙及暗物质）而执行的AMS－01（阿尔法磁谱仪）计划中，所用的永久磁铁是中国建造的。美国宇航局（NASA）计划于2003年在国际空间站上安装科学搭载，AMS一02将采用超导磁铁，从而大大提高了在太空中长时间采集更多数据的能力。这些基础的研究工作是出自于对自然界和宇宙的好奇心而不停地探索，首先并不是出于经济利益的考虑。
基础研究工作需要充分的自由空间以及社会给予的宽容态度。科学研究就是发现不知道的东西。科学家的预言往往会出错。比如，1880年开尔文勋爵说：“X射线是一个”，
而现在医学上普遍使用着X射线治病。1930年物理学家卢费福说：“用打碎原子的办法产生能量是希望十分渺茫的事情，任何人期望从原子的嬗变获取能量是荒唐的臆想”，结果此后十五年实现了原子弹爆炸。伟大的科学家也会犯错误。当人们深入到未知的领域时就很难得出预言。研究如同进入一个黑房子去摸索，不知道会碰到什么东西，所以也不要去责怪那些没有寻找到原来目标的研究项目。投资几十亿美元，结果没有搞到最初的设想，社会对此要能给予宽容，理解他们的处境。基础研究工作不会总是一帆风顺的，而错误是成功的一个组成部分。
基础研究要有长期的展望，要给予稳定的支持。基础研究要不断拓宽、充实，就如同给庄稼地施肥，肥施得好，庄稼就长得好。基础研究为新技术提供了原理，反过来又拓宽了基础研究，它们的作用是相互的，不能对立起来。基础研究给我们的社会生活带来了巨大的变化。例如，经典物理的成就带来了蒸汽机、照相机、电子工程、收音机、电视、飞机等。原子物理和量子物理引发了新材料，而半导体和超导体的应用进一步拓展出晶体管、霓虹灯、激光、计算机等。原子核物理产主的同位素技术，在医学和核能方面得到了广泛应用。没有任何理由说基础研究不会继续扩大。从发现一个新现象到市场化，历时大约需要20～40年，这对于政治家和实业家来说，确实是太长了些；但是，基础研究的过程确实是漫长的。基础研究需要大量的资源（人力、物力、财力）和长远的眼光，要给予稳定的支持。没有对基础研究和教育方面的投资，实用主义地发展经济是不可能持久的。是支持所谓“无用的”基础研究，还是将资源集中于技术转化和应用研究方面，从历史的观点看，后一种观点是目光短浅的，如果一个社会将自己局限于技术转化，经过一段时间后，基础研究不能发现新的知识和新的现象，也就没有什么可以转化的了。技术的发展是生根于基础研究之中的。基础研究应该得到有力的支持，它是新技术和工业发展的原动力。
寻找宇宙中的基本粒子
如何寻找宇宙中最基本的粒子呢？现在我用四个故事向大家介绍一下，这些故事是我在过去的三十年里所亲身经历的。
第一个故事是测量电子的半径。现代电磁学的理论认为电子的半径为零。在19年的时候，美国的麻省理工学院和哈佛大学制造了一个当时最大的加速器，这个加速器周长为1000英尺。当电子在加速器中旋转时就产生光子，光子具有60亿电子伏特的光子能量，因为光子能量很高，所以可打入电子。当时来自哈佛大学和康乃尔大学的世界上很有名的专家，在这个加速器里做一个很重要的实验，实验结果同时证明量子电动力学是错误的，电子是有半径的。这是一个非常重要的实验。1966年，我在德国用不同的方法重新做了这个实验，结果发现电子的半径确实小到不可测量，电子是没有半径的，这是实验的结果和理论的预测等于1，等于1即是说电子半径小于10^-16cm，也就是说以前许多专家所做的实验结果是错误的。所以我第一个体会是不要盲从专家的结论。
第二个故事是关于新粒子粲素J/y 粒子的发现。到了七十年代，所有已经知道的基本粒子都可归结为由三种夸克组成，所有的现象都可以用三种夸克来解释。我就问为什么宇宙中只有三种夸克？为了寻找新粒子，我决定建造一个高灵敏度的探测器。当时我决定将新夸克和旧夸克的灵敏度达到一百亿分之一。何为一百亿分之一呢？上海下雨的时候，大概每秒钟有一百亿个雨滴，其中有一个是蓝的，要把它找到。但这个实验不受物理界的欢迎。第一，当时的所有物理现象都可以用三种夸克来解释，所以人们不需要第四种夸克；第二，没有人相信这种困难的实验可以做成。因此这个实验几乎被天下所有的加速器拒绝了。后来，终于在美国的布尔凯文国家实验室用AGS ━ Alternating Gradient
Synchrotron，交变梯度同步加速器--做了这个实验。我们发现了一种很新的粒子，完全想像不到的一种粒子。这是正电子负电子质量到达3.1的时候，突然就产生一个很高的峰，根据以前所有的理论，这个峰是不应该存在的，找到这种J粒子以后，很快和这种J粒子同样一种加速的粒子就存在了。这是J粒子，J粒子有一个‘粲素’，这个‘粲素’和正负
电子加速的性质是一样的。所以当我们完成了布尔凯文（地名）国家实验室的实验以后，我们发现了一种全新的夸克，这种夸克有很特别的性质，第一它们质量比其它所有粒子重三倍[不确切，这里的‘其它所有粒子’应特指丁实验组研究的三个矢量介子，或称为‘重光子’。丁实验的目的是寻找更重的矢量介子，结果发现了夸克模型中有重要意义的J粒子，即发现了
第四种夸克－－粲夸克。]；第二，它的寿命比其它所有粒子长1000倍，这意味着什么呢？大家都知道，所有的人在世界上活到100岁左右，但你突然发现一个村子里的人能活到10000岁，这就表示这些人可能有很特别的性质，这种长的寿命可能由新的夸克组成。所以，以前的人认为只有三种夸克的看法是错误的，当然，有了这第四种夸克，你就可以问有没有第五种、第六种——至今为止，已发现了六种。因此我的第二个体会是永远要对自己有信心，做你自己以为正确的事，别人反对是别人的事。
第三个故事是关于1979年胶子存在的间接证据的发现。大家都知道在原子里有电子和原子核，电子和原子核之间的力由光子传送。在质子里有不同的夸克，夸克之间的力在理论上来说是由胶子传送。那时我们正在德国用正电子负电子对撞接力做一个量子色动力学，Quantum Chromodynamics(QCD)--的实验，在做这个实验的时候，突然想到假设用正电子负电子对撞这种理论是对的话，则可以产生夸克、反夸克和胶子，这样的话就会出现三个喷柱的现象。果然当正负电子对撞的时候，当胶子能量很小的时候，只有两个峰；当胶子的能量增大的时候，就会出现三个喷柱现象。三个喷注现象的存在就表示胶子是存在的。当年，美国物理学会对这个事例作了详细介绍。虽然最初这套实验仪器并非为这个实验而设计的，但却获得了意外的结果。所以第三个体会就是对意料之外的事情要有充分的准备。
第四个故事就是寻找反物质的宇宙。这在国际空间站上叫做AMS。反物质的存在，是
由玻尔·迪莱克在理论上推导出的。他在1933年12月12日获得了诺贝尔奖。他注意到，相对论的公式和量子电动力学的公式，质量都是乘平方的，也就是说等于m×m，也等于－m×－m，迪莱克问－m是什么意思，从这儿就推导反物质的理论。这也表示拿诺贝尔奖是很容易的。因为现在我们从实验上知道，所有的粒子有反粒子。我所要问的是另一个问题，大家都知道，宇宙是大爆炸形成的，大爆炸的理论中，宇宙起源时的温度高，因为大爆炸以前什么都没有，所以有一个电子则应该有一个反电子，有一个夸克也应该有一个反夸克，所以在刚爆炸的时候，物质和反物质应该是一样多。问题是经过150亿年之后由反物质组成的宇宙在什么地方。我们知道宇宙在有He、有Ti的太空中飘行，有没有反物质所组成的宇宙也产生反He和反Ti。所以我们从实验上需要知道的是由反物质组成的宇宙在何处。假设它存在的话，我们应该在太空中找到反He反Ti原子。反He、反Ti原子不能在地面上找到，因为在穿过大气的时候，它们会被湮灭掉。因为原子内部的质子和绕核高速旋转的电子具有相同的电荷数，但符号相反，故原子呈中性。当He原子在宇宙空间穿越时与其它粒子发生多次碰撞，其外表的电子被剥离，仅剩裸原子核，带两个质子和中子；如果存在反He原子，则其裸原子核带两个反质子和中子，电荷正好相反。所以寻找反原子必须用磁铁来测量，在磁场上的轨道，正的向一个方向旋，负的向另一个方向旋，这就是我现在所做的实验的目标，即AMS，它是空间站上唯一的物理实验。
过去40年内，许多的实验用哈勃望远镜、用人造卫星测量光子，但在宇宙中除了光子以外，还有带电的粒子。带电粒子因为有质量，所以在经过大气的时候很快就被消灭掉了，故不能在地面上找到。因为带电，所以需要用磁铁分出正负，这是人类第一次测量这些东西，所以觉得现在的结果很奇怪，可能过了三、五年之后，对这种现象了解以后，就会觉得很自然了，这是我最简单的解释。美国宇航局决定在2003年5月将AMS实验作为在空间站上的第一个科学实验。原结构中用的中国制造的永久磁铁改为超导磁铁，大幅度提高AMS控测力，从太空中长期产生更多的数据，超导磁铁用于太空中是高技术发展的一个体现，不多久前还认为是不可能的。这是我们所制造的超导磁铁，在英国和瑞士制
造的，这是磁铁的线圈，带上2500升的液体的He，在空间站上做三年，这是整个探测器，这儿有超导磁铁，这个仪器用于分辨电子和质子，这个仪器测量不同的粒子，这个用于测量电子和光子。假使不出错误，到2003年的晚上，天晴的话，可以看到这个空间站，因为它非常大，可以看到它像星星一样转，到那时你会记住上面有一个AMS的实验。它要解决两个问题，一是宇宙如起源于大爆炸，一半的宇宙是正物质组成，另一半的宇宙是反物质组成，那么反物质所组成的宇宙在什么地方；第二个问题是90％的宇宙是观察不到的，它是由暗物质组成的，暗物质是什么？这些都是理论，到底会发现什么呢？可以从下一个图里看出。现在向大家介绍一下在过去50年内加速器的发展。最早的加速器是袁家骝教授所用的布尔凯文国家实验室的加速器，至今快50年了，原定的目标是π质子相互作用，袁先生作了非常重要的贡献[Fermi National Accelerator Laboratory(FNAL)]。除了这以外，更重要的是发现两种中微子，时间反演的破坏j粒子，费尔美国家实验室在芝加哥，原来是做中微子物理实验，发现的是第五种、第六种夸克。斯坦福直线加速器原来是做电子质子弹性散射和量子电动力学，结果发现的是部分y 粒子和t轻子。日内瓦的质子质子对撞机，原目标是找Z和W，结果发现是质子质子总截面，表征粒子碰撞时相互作用几率的增加。[欧洲核子研究中心（CERN)的质子对撞机，目标是寻找Z和W，并在1983年发现这两个粒子。1984年，Carlo Rubbia 和Simon Van Der Meer 因此而获诺贝尔物理学奖。]。所以要做加速器，先找理论物理学家帮你写一个目标。根据过去50年的经验，原来的目标和实际发现完全是两回事情。因为这是最先进的科学，是没有办法预见的。所以最后一个体会，就是要实现一个目标，最重要的要有好奇心。对自己做的事情感兴趣，要勤奋地工作！
丁肇中
实验物理学家。1936年1月27日生于美国密歇根州安阿伯镇，祖籍山东日照。出生3个月后随父母回中国，1956年入美国密歇根大学，1960年获硕士学位，1962年获物理
学博士学位。曾在瑞士欧洲核子中心工作一年。19年起在美国哥伦比亚大学工作。1967年起任麻省理工学院物理系教授。丁肇中是美国科学院院士，中国科学院外籍院士，研究方向是高能实验粒子物理学。他领导的实验组先后在几个国际实验中心工作。1974年，丁肇中实验组发现了一个质量约为质子质量3倍的长寿命中性粒子。丁肇中把这个新粒子取名为J粒子。与此同时，美国人B·里希特也发现了这种粒子，并取名为ψ粒子。后来人们就把这种粒子叫做J/ψ粒子。为此丁肇中和里希特共同获得1976年诺贝尔物理学奖。丁肇中教授对中国的科学技术事业十分关心，1977年访华期间，向建议中国科学院派遣物理学家参加他在德国汉堡进行的大型实验。此后先后有100多名我国物理学家和研究生到他领导的实验组工作和学习，其中许多人现已成为我国高能物理实验的骨干。
来源：《文汇报》
