我所經歷的現代物理及體會(一)

丁 肇 中

(麻省理工學院，馬薩諸塞州 02179-4307，美國)

0 引 言

今天我想向大家介紹的是我所經歷的現代物理和我的體會。

實驗是自然科學的基礎，理論如果沒有實驗的證明，就沒有意義。當實驗推翻了理論以后，才可能得到新的理論。而理論是不可能推翻實驗的。

過去400年，我們對物質結構的基本了解，大都來自于實驗物理。公元1612年，世界上所建造的最早的加速器，就是比薩斜塔。伽利略在上面讓不同重量的東西同時落地。那個加速器能量非常低[0.000 1 eV]，可是現在還存在，為人類做出了最重要的貢獻。現在世界上最大的加速器，是周長27 km的歐洲核子中心的加速器，能量非常高[1.4×1013eV]。這個加速器的一個比較重要的“發明”，就是大家現在所用的互聯網。經過400多年的努力，現在對物質結構的基本了解是：原子的外層是電子，里面是原子核。原子核里面是粒子，粒子里面是夸克，把夸克“綁”在一起的是膠子。這是我們描繪的宇宙物質結構的最基本圖像。

1 不要盲從專家的結論

我1956年進入密歇根大學，1962年拿到博士學位。拿到博士學位以后，我很快就決定自己做實驗。第1個實驗就是證明電子是沒有體積的，它的半徑小于10-14cm。我1965年的實驗測量了電子半徑：在1948年，根據量子電動力學(QED)，由Richard Feynman，Julian Schwinger和朝永振一郎提出了一個理論：電子是沒有體積的。這個理論被當時所有的實驗所證實，因此他們獲得了諾貝爾獎。但是到了1964年，哈佛大學和康奈爾大學很多很有名的教授，或多年專門從事這種實驗的專家們，用了多年的時間做了兩個不同的實驗(圖1)，得到了相反的結論，說量子電動力學是錯誤的，電子是有體積的，它的半徑不是小于而是等于10-13～14 cm。因為他們做了兩個不同的實驗，得到同樣的結論，所以受到了物理界的認可和重視。

圖1 哈佛—康奈爾實驗與費曼、施溫格、朝永振一郎理論的對比

因為這是關于物理基本觀念的實驗，所以我決定用不同的方法來測量。那個時候我剛剛拿到博士學位，沒有任何經驗，所以沒有人相信我能夠做出這樣的實驗，更沒有人支持。在1965年，我決定放棄在美國大學的前途，到德國新建的加速器(DESY)用不同的方法重復了這個實驗。用的加速器周長是320 m，當電極轉過磁鐵的時候，就會發射75億eV的光，光打在電子上(使其加速)(圖2)。這兩個人是我當年的學生(圖3)，一個學生現在是普林斯頓大學的副校長，另一個并不是個特別好的學生，現在是一個有成就的工業家。

圖2 實驗示意圖

圖3 丁肇中的學生

8個月以后，我的實驗證明，量子電動力學是正確的，電子是沒有體積的。它的半徑小于10-14cm，小于不是等于。看看這個結果和理論的比較，這樣的結果和理論完全符合，這表示電子是沒有體積(圖4)。

所以我做實驗的第一個結論是：不要盲從專家的結論。我之前什么實驗也沒做過，這是我的第一個實驗。另外兩個隊伍都是有名的科學家，結果都是錯的。

圖4 電子是沒有體積的的

2 做基礎研究，要對自己有信心

第2個實驗就是發現新粒子的實驗，是于1970年到1974年在美國的長島(布魯克海文)國家實驗室(圖5)完成的。1970年，物理學家都認為，粒子是由3種夸克所組成的。質子：紫色的u，紅色的u，和藍色的d；K+介子：紫色的u，粉色的s bar(圖6)。我的問題是，為什么只有3種夸克？為了尋找新的夸克，我決定建造一個高靈敏度的探測器。

圖5 美國布魯克海文國家實驗室

圖6 質子與介子示意圖

上世紀70年代初，我設計了這個實驗。實驗要求的精確度是極高的，相當于在北京或者濟南下雨的時候,每秒鐘有100億個雨滴,其中有1個雨滴是不同的顏色，是紅色或者紫色的,我們要從這100億個雨滴中,在1 s內把它找出來。因而這個的精確度就是100億分之一。

這個實驗不受世界上所有物理學家的歡迎。理論物理學家都相信只有3種夸克。原因很簡單，因為3種夸克已經可以解釋所有當時已知的物理現象；而實驗物理學家認為，沒有人能做出這樣困難的實驗。所以這個實驗幾乎被世界上所有的實驗室所拒絕。1970年，美國布魯克海文國家實驗室接受了我的實驗。

為了能從100億個已知粒子中找到1個新粒子,這個實驗必須每秒鐘輸入100億個高能量的質子到探測器上。這么多的質子輸入探測器所產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,必須發展全新的、非常精確的，在非常強的放射線下,能正常工作的全部儀器，也必須設計安全的屏蔽系統。按照屏蔽設施圖(圖7)：為了放射線屏蔽，先放了10 000 t的水泥，然后放5 t的鈾，100 t的鉛，還有5 t的肥皂。為什么用肥皂？因為肥皂里面含水最多，水可以阻止慢性的中子。整個加速器把所有的粒子同時發射，也就是說每秒鐘發射100億個粒子，能量是300億eV。

新發展的粒子探測器，以前是沒人做過的。這個探測器多年展于華盛頓的國家科技館(圖8)。以前也沒人想到儀器能在這么強的放射性下工作。到了1974年，就是兩年以后，實驗發現了新的粒子，它有一個奇異的現象，就是壽命比一致的粒子長1萬倍。在這種新粒子發現以后，很快同樣壽命的其他新粒子也被發現了。它的重要性很容易了解。在山東，人都活到100歲左右，但忽然有一個村子，人不是100歲，是100萬歲，這些人就和普通人不一樣。這就表示宇宙中有新的物質存在，它一定是新的夸克粒子，我們把它命名為J粒子(圖9)。

圖7 屏蔽設施圖

圖8 美國華盛頓國家科技館展出的J粒子探測器

圖9 發現J粒子時的事例圖，標記處即為發現J粒子

沒有人會想到有這種現象，所以當時物理界的人說，這是物理界的“十一月革命”，那個時候我還不知道“十月革命”是什么。J粒子的發現改變了人們對于基本物質的認識。

我做實驗的第二點體會是：做基礎研究，要對自己有信心，做你認為正確的事情，不要因為大多數人的反對而改變。我做實驗已經多于50年了，每一個實驗都受到大量的人反對，可是我“容忍”別人錯誤的判斷。

(未完待續)