丁肇中的发现

 

丁肇中的新成就
作者:周金品    文学编辑:邓立
丁肇中教授
  诺贝尔物理学奖得主丁肇中是一位中国血统的美籍科学家。1936年2月27日他出生于
美国密西根州安阿伯镇,原籍是中国山东省日照市。父母亲都是大学教授。抗日战争爆
发后,父母亲从美国密执安大学把婴儿丁肇中带回到了中国。丁肇中的童年是在战火与
逃难中度过的。连绵的战乱,使他无法接受系统的小学教育。1948年,他随父母到了台
湾后,才开始接受正规教育。1956年,他又回到美国,先在密执安大学当了一年工科学
生,任又改学物理学,1959年获得物理与数学两门学科的学士学位,1961年获物理学硕
士学位,1962年获得物理学博士学位,1963年任教于哥伦比亚大学,1967年任美国麻省
理工学院物理系副教授,1969年,升任教授。
  1974年,丁肇中在美国长岛的布鲁克海文国立实验所做了一个大胆的、复杂得令人
眼花缭乱的实验。他发现了一种人们完全没预料到的粒子--J粒子。他的实验改写了物理
教科书,给亚核子世界重绘了一幅崭新的图画。
  J粒子的发现,使沉寂十多年的物理学界为之震动,被国际高能物理学界誉为物理发
展史上的一个重要里程碑。在J粒子发现之后两年,丁肇中荣获1976年度的诺贝尔物理学
奖,是第三位获得这项殊荣的华裔科学家。前两位都是理论物理学家,丁肇中则是一位
实验物理学家。
  
一个异峰突起的"怪"粒子使丁肇中获得了闻名世界的诺贝尔奖
  当丁肇中发现J粒子的消息传到正在紧张工作的美国哥伦比亚大学莱德曼教授和他的
小组时,莱德曼教授简直被惊呆了。因为7年前的1967年,他就在丁肇中工作的那台加速
器上工作过,只看到了一些模糊的反常现象,便放弃了探索,带领他的实验小组全班人
马转移到条件更好的费米国立实验室继续搞研究。莱德曼终于明白过来了,也许是一生
难得的一次获得诺贝尔奖的机会从自己的眼皮底下溜走了。
  那么究竟是什么原因使得莱德曼错过早在1967年就可以发现J粒子的机会的呢?原来
毛病就出在那台探测器上。当初莱德曼只是强调了探测器的灵敏度,而忽视了它的分辨
本领。从传统的常识来看,莱德曼这样做是无可非议的,因为这类新粒子都具有很大的
宽度,花大本钱去提高探测器的分辨本领,岂不是杀鸡用牛刀。然而,J粒子偏偏是一个
宽度极窄、升峰突起的"怪"粒子,莱德曼的探测器分辨不清它的真面目,就好比戴了皮
手套去摸一粒沙子一样,任凭你有多大的本领,也无济于事。丁肇中恰恰是不顾传统的
习惯,顶住了反对意见,强调了改进探测器分辨本领的重要性,战胜了一个又一个困难
,出奇制胜,才取得了成功。这里,我们不由得想起铭刻在贝尔研究所贝尔塑像下面的
一句衷告:
  "有时需要离开常走的大道,潜入森林,你就肯定会发现前所不见的东西。"
  J粒子的发现,在物理学界掀起了轩然大波,这件意料不到的新发现使实验物理学家
和理论物理学家都大为惊异。自从1897年J·J·汤姆逊发现第一个基本粒子-电子,已经
过去了多半个世纪,迄今基本粒子已成为拥有3O0多个成员的庞大家族了。基本粒子大都
是短命鬼,像已发现的几种重光子,寿命只不过一亿亿分之一秒。然而,J粒子的寿命特
别长,要比其他伙伴长一千倍!设想在我们中间,若有一天突然闯进来一个一千多岁的
老人,那世界舆论的轰动简直不可想像了。
  后来,外界有一个误会,以为J粒子就是"丁粒子"。其实,这只是巧合而已,丁肇中
的原意是想用这个新粒子来纪念他在探索电磁流性质方面花了10年功夫才获得的这项了
不起的新发现,而文献中通常都用J来表示电磁流,因而这个新粒子就以J字命名。
  中华之声第一次在斯德哥尔摩诺贝尔颁奖大厅内响起
  按照惯例,瑞典皇家科学院正为丁肇中的发言稿发愁。获奖人要在颁奖典礼上用本
国语言发表演讲。可是,丁肇中向瑞典皇家科学院写了一封信,提出了一个请求:先用
中文发表讲演,然后再用英文阐述。
  自从1901年第一次颁发诺贝尔奖金到1976年,3/4个世纪过去了,领奖大厅里始终没
有响起过占世界人口1/4的中国人民的主要语言-汉语。丁肇中决心打破惯例,让中华之
声响彻授奖大厅。
  1976年12月10日,丁肇中在斯德哥尔摩隆重举行的诺贝尔奖颁奖典礼上,用流利的
中文发表了一篇激动人心的讲演:
  "国王、王后陛下,皇族们,各位朋友:
  得到诺贝尔奖,是一个科学家最大的荣誉。我是在旧中国长大的,因此,想借这个
机会向发展中国家的青年们强调实验工作的重要性。
  中国有句古话'劳心者治人,劳力者治于人',这种落后的思想,对发展中国家的青
年们有很大的害处。由于这种思想,很多发展中国家的学生都倾向于理论的研究,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,特别是物理学更是从实验中产生的。

  我希望由于我这次得奖,能够唤起发展中国家的学生们的兴趣,而注意实验工作的
重要性。"
  这篇讲演言简意深,包含了他二三十年来对人生、对科学的真知灼见。这篇讲演话
短情长,表达了他对祖国炽热的爱,对中华民族的无限深情。
  丁肇中在热烈的掌声和欢呼声中,从瑞典国王手中接受了诺贝尔荣誉奖状、诺贝尔
金质奖章和奖金。
  J粒子把丁肇中送上了一个荣誉的高峰,但这决不意味着他已经到了科学事业的顶峰
。世界上还有许多奥秘。有待人们去探索。一个又一个的科学堡垒等待着他去攻克。他
要率领实验队伍,到德国的汉堡去、在电子同步加速器研究中心(DESY)的佩特拉(PE
TRA)正负电子对撞机上做实验,寻找把夸克结合在一起的物质一胶子存在的证据.正是
:"路漫漫其修远兮,吾将上下而求索"。
  邓小平对丁肇中说:"我选100人参加你的实验组。"丁回答:"科研和练兵不一样,
最好是人少一些,但素质一定要好。"
  十年动乱后的1977年8月,丁肇中应中国科学院高能物理研究所的邀请来华访问。8
月17日,邓小平亲切会见并宴请了丁肇中教授。席间,邓小平问丁:
  "你能不能帮助中国培训物理学家?"
  丁马上回答说:
  "我个人非常欢迎中国科学家参加实验。但根据国际惯例,参加这类国际合作的国家
,要向实验室交付一定的费用,因为这个实验是在德国DESY研究所的加速器上做的,所
以我要征询一下德国政府的意见。我今晚就打电话回去问,明天可以答复。"
  第二天,德国汉堡DESY研究所所长苏佩尔(H·SCHOPPER)教授打来电话说:
  "德国政府非常欢迎中国科学家参加合作,不收任何费用。"
  邓小平听后十分高兴,就对丁肇中说:"我选100人参加你的实验组,如何?"
  丁赶忙说:"科研和练兵不一样,最好是人少一些,但素质一定要好。"
  邓说:"那就派20人。"
  丁又说:"我们实验组总共才20多人。"
  最后达成每年派10人参加丁领导的实验工作的协议。
  5个月后的1978年1月,中国科学院首批派出的10名青年物理学家远涉重洋,前往德
国汉堡电子同步加速器研究中心,来到了丁肇中教授的身边,参加由他领导的实验小组
工作。
  先后到达汉堡的中国物理学家共27人,平均年龄不到40岁。
  只有带队的唐孝威教授曾在莫斯科杜布纳联合核子研究所工作过,并具有两弹一星
研制工作的经验。
  当时世界最大的佩特拉(PETRA)正负电子对撞机工程正在德国汉堡电子同步加速器
研究中心(DESY)紧张进行,预计要在1978年10月建成投入运行。这个对撞机共有四个
对撞点,每个对撞点独立成为一个实验区,分别由四组科学家各在一个对撞点上进行实
验。丁肇中领导的实验组称为马克·杰(Mak·J)组。马克·杰(Mak·J)是一台大型
探测装置的代号。这台装置有数百个不同类型的探测器、几千台电子仪器、一个大型磁
铁和数台电子计算机组成。
  来自中国的这批科学工作者,首先遇到的问题就是对这里的紧张工作不适应。每天
十几个钟头,没有午休,没有星期天,他们又都是刚从低温物理转过来的"新兵",对许
多工作是第一次接触,十分陌生。一切都得从头学起。语言又不通,可是任务量却大得
惊人:丁肇中小组的实验准备工作,比起其他几个实验小组要晚一年多时间。换句话说
,他们得在不到10个月的时间内,完成两年的工作量。
丁肇中以能长时间连续工作而闻名遐迩,他亲临现场,和大家一起奋战。他了解到中国
组员的困难,想了许多办法。开始,他把中外科学家编在一起工作,为中国研究人员学
习外国研究人员的长处创造了条件,经过一段时间以后,又把中国研究人员抽出来单独
分配任务,从实干中培养他们独立工作的能力。
童年时代丁肇中与家人
  丁教授还经常用自己发现J粒子的过程教育大家。他常说:"我做了10年矢量介子实
验,才从上百亿个各种各样的粒子中找到了一个J粒子。这就像在北京地区下一场倾盆大
雨,从无数雨点中辨认出一个带颜色的雨点那样困难。在做实验时,不能允许有丝毫的
松懈和马虎。"
  使用每秒钟运转几百万次的大型计算机,对中国研究人员来说还是头一次。为它设
计一个程序,涉及到几千个符号。如果有一个符号出点差错,整个程序就不能通过。他
们一心想尽快地掌握设计方法,连走路、吃饭都在思考琢磨。夜深了,紧张工作了一天
的外国研究人员早已进入梦乡,然而在计算机旁的中国研究人员,还在一遍一遍地演算
、练习着……短短几个月内,单是他们用过的图纸就有几万张之多。
  他们面对这重重困难,牢记祖国的嘱托,在丁肇中教授的严格要求和耐心培养下,
毫不退缩,硬是咬紧牙关,迎着困难上。
  凭着他们的顽强毅力和为科学的献身精神,不到一年时间他们就追赶了上来,跑到
了时间的前头。终于在1978年10月24日凌晨6时,比预定时间提前两个小时,完成马克-
杰(Mak-J)这台大型探测装置的安装调试任务,成为佩特拉正负电子对撞机上四个实验
区中第一批进入实验的小组之一。
  
   世界上最大的高能物理实验组在丁肇中的领导下取得一批重要实验结果,为物理学
中的一个悬而未决的问题划上了句号
  在丁肇中小组精心设计的这台大型探测装置里、粒子流通过时所发生的现象只经历
十亿分之四秒,在这样短的时问内发生的每一事例都必须加以筛选、记录和解释。尽管
这套装置重达400多吨,可是运转非常灵活,准确度可达百分之百,这确实是科技史上的
一个奇迹。丁肇中实验组第一批数据就得到了446个强子事例,比其他组几乎多了一倍。

  由于他们的实验事例数目多,使得分析的基础可靠,获得的图像十分清晰,从而首
次显示了胶子喷注的存在。
  1979年6月,当加速器输出来的正、负电子的能量达到274-316亿电子伏特的范围内
时,实验显示出确实有第三股喷注的迹象。几个星期的日夜观察、分析,已经有比较多
的证据证明,这第三股喷注可以解释为由胶子引起的,也就是说强子中果真有胶子。
  在伊利诺斯州巴塔维亚的费米国立实验所举行的国际学术会议上,丁肇中小组正式
宣布:"我们看到了一种有趣的三喷注现象,它们可以解释为二个夸克和一个胶子形成的
强子产物。"由于描绘三只喷注的图线很像"奔弛"汽车头上的梅塞德斯商标,所以大家干
脆把它称为"梅塞德斯"事例。
  丁肇中小组通过实验揭开胶子之谜,立刻轰动了国际高能物理学界。9月5日,中国
的新华通讯社也发布了重要消息:"丁肇中教授领导的小组在实验上证实胶子存在,我国
唐孝威等20多位科学工作者参加了这项实验研究工作。这一重要发现,对于加深人类对
物质微观结构的认识具有重大意义。"
  至1983年,丁肇中教授选定欧洲核子研究中心(CERN)在日内瓦建造的世界上能量
最大的正负电子对撞机"莱普"(LEP)上开展他的新探索。它于1989年7月正式建成投入
运行,其能量比过去号称世界最大的正负电子对撞机"佩特拉"(PETRA)要大一倍以上。

  丁教授领导的规模空前的L3实验组,有美国、瑞士、中国、法国、德国、意大利、
前苏联、保加利亚、西班牙、荷兰等14个国家共43所大学和研究所的581位物理学家组成
。这是迄今世界上最大的高能物理实验组。用于L3实验的4个探测器,全都安装在深达5
O公尺的地下隧道里。还安装了高15公尺、长13公尺的巨型磁铁,它能产生50O0高斯的磁
场。为了防止辐射,安装有500吨重的水泥门。有数十万根电缆把4个探测器与中央控制
室的计算机终端连接在一起。近年来他们已取得一批重要的实验结果。最重要的是,利
用已测得的2538个强子事例,确定了中间矢量波色子Zo的质量和宽度;确切定量地回答
了自然界中不存在第四种中微子,为物理学中这个重要问题划上了句号。
  
   丁肇中的研究成果为人类探测宇宙奥秘迈出了重要步伐,再一次震惊世界
  1998年6月2日美国东部时间18时6分(北京时间6月3日清晨6时6分),由中美等国共
同研制的一个重达3吨的宇宙探测器阿尔法磁谱仪(AMS),搭载美国"发现号"航天飞机
,从美国佛罗里达州肯尼迪航天中心随着一声轰呜声徐徐升入太空,从而揭开人类第一
次进入太空探寻宇宙之谜的序幕。
  这是一个与L3实验组平行进行的国际空间科学实验项目,都由丁肇中教授领导。这
个用来寻找太空中的反物质和暗物质的粒子探测装置,它的最核心的部件永磁铁是由中
国科学院电工研究所共同研制的。这块永磁铁直径1.2米、长0.8米、重2吨。阿尔法磁谱
仪上的电子设备则全部由台湾科学家设计制造。这次"发现号"航天飞机升空的6名宇航员
中有一位有着1/4的华人血统。
  这对全世界的炎黄子孙无疑具有特殊意义。
  最早提出反物质理论的是一位英国物理学家-狄拉克,他因此于1933年获得诺贝尔物
理学奖。根据该理论,如果宇宙中正电子和负电子完全对称,那么,地球由电子与质子
构成只是一种偶然,宇宙中极有可能存在另一个由反电子和反质子组成的星球。
  也就是说,宇宙中有许多星球实际上是由反物质构成。反物质理论一经出台,寻找
反星球便成为宇宙探秘的重大目标。
  大约在1994年秋,中国运载火箭技术研究院总体设计部就获悉丁肇中教授正在着手
进行一项大胆的研究计划:要在宇宙空间直接探测反物质。
  经过激烈的投标及国际间的初步技术协调,1995年 6月中国被选为阿尔法磁谱仪主
结构的设计、生产及相应的环境模拟试验的研制单位。经过两年多不懈的努力、中国运
载火箭技术研究院高水平、高质量地按期完成合同任务,并于1997年11月通过了美国国
冢航空航天局NASA第二阶段的安全评审,还破例取消了第二阶段的评审,受到了丁肇中
教授和美国宇航局的高度赞扬。
  这次"发现号"航天飞机发射当天,发射中心气温高达35摄氏度,接近发射的极限温
度37.2摄氏度,但发射依然比预定计划提前4分钟开始。当地时间18时6分,助推火箭顺
利点火。在略微转过一个角度之后,"发现号"航天飞机越升越高,像一把利剑,划破了
略有薄雾的深蓝色天空。发射后8分钟左右,"发现号"所有主动引擎都关闭,航天飞机依
靠惯性冲破地球引力,飞向太空。此次搭载"发现号"航天飞机发射的阿尔法磁谱仪在太
空中运行了10天,证实仪器性能良好并已获取初步的物理结果。至2O02年,航天飞机将
把这个粒子探测器送到由美国等国研制的阿尔法空间站,运行3年至5年。科学家们预言
,在这段时间里,将有上百亿个质子穿过探测器。只要太空磁谱仪能发现一个反氦核,
将可推断宇宙中存在反星系;若发现一个反碳核,就可推断有反星球存在。
  丁肇中和他的同事们现在正在向取得另一项伟大的、能够叫我们这个世界大吃一惊
的发现而紧张地工作。丁肇中说:"认识物质世界,发现大自然的奥妙,这种基本的知识
是无涯的,超越年龄、时代和国界的限制。"

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