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四则故事和四个启示

作者:丁肇中 发布时间:2015-10-20 来源: 江苏教育新闻网—《初中生世界》

同学们:

很高兴和大家谈谈我个人在科学上的体验。

自然科学(物理、天文、生物、化学等)是实验科学。一个理论,无论它多么高明并合乎逻辑,若无法由实验加以印证,终究是毫无意义的。实验与理论交互影响的结果,是促进了科学的进步。先进精确的实验结果和理论预测互相对照,终致产生新的理论,而此新理论又面临新的实验之挑战。所以作为一个好的科学家,必须对理论与实验的基础有深入的理解。

大约半个世纪前我在中学读书时,并非班上的佼佼者。我的父母从未要求我背书,也未要求我在考试中争取最高分数。对我影响最深者是我的母亲,在考试中,无论我得到怎样的成绩,她都谅解与接受。平时在家时,我们经常可以听到许多伟大的科学家的成就事迹与逸事。这样一个温馨自由的家庭气氛,加上科学家的影响,使我在年轻时即已下决心做一个科学家。

在高中时,我曾对中国历史深感兴趣。中国有世界上最悠久且未曾间断的历史记录,其间有许多伟大的成就值得我们骄傲。

我同时也对数学、化学和生物兴致勃勃,在其他科目上则表现平平。我曾花了相当长的时间在物理和数学两科。记得当时我曾对牛顿定律F=ma的意义想了数周之久,对质量m、加速度a及力F之物理意义非常困惑不解。

在中学接受到的非常踏实的教育,对我日后成为一个物理学家有极大的帮助。我1955年中学毕业,1956年进入美国密歇根大学,直到1962年止,历时6年,我相继获得物理学和数学学士学位及物理学博士学位。1976年,我获得了诺贝尔物理学奖。

我想用四则简短的故事谈谈我所参与的20世纪的物理学。

第一则故事:测量电子的大小

费曼、薛定谔、朝永振一郎等知名物理学家,均认为电子是没有体积的。在1960年之前,所有的实验均与这个理论的预测相吻合。1964年,哈佛大学与麻省理工学院建造完成了一个大型电子加速器,并由哈佛大学与康奈尔大学在这方面的专家设计了一个高灵敏度的实验,以测量电子的大小。实验结果显示,电子是有体积的,它的半径是10-14厘米。1966年,我在德国用不同的方法重做这个实验,结果我们发现电子没有可测量的大小,其半径小于10-14厘米,与理论完全符合,也就是说近代电磁理论是正确的。

这个故事让我得到第一个启示:切勿永远顺从专家的想法。

第二则故事:新夸克的发现

在70年代,所有已知的基本粒子均由三种夸克组成。我当时就怀疑,为什么只有三种夸克?

为了寻找新的夸克,我决心组装一个高灵敏度的探测器,该探测器对夸克探测的灵敏度为既有探测器的100亿倍,也就是说,我们要在100亿个基本粒子中找出由新夸克组成的新粒子。这个实验的困难度可以用下面的比喻来说明:在一个下雨天,每秒钟落下的100亿个雨滴中,有一个颜色不同,我们要将它找出来,其难度可想而知。

在当时,几乎每一个人都相信夸克只有三种,再加上这个实验的难度太大,使得世界上几乎所有的加速器实验室都拒绝接受这个实验。最后,美国纽约的布鲁克黑文国家实验室终于允许我们进行这个实验。我们果然发现了一种全新的夸克,该夸克所组成的粒子呈现了意想不到的性质:非常之重,比所有的已知粒子都重;生命期很长,比已知的粒子长1000倍以上。这些性质显示了新的物质的存在(来自新的夸克)。而夸克只有三种的旧观念被证明是错的。今天,我们已知最少有六种夸克。

由于这项成果,我获得了1976年的诺贝尔奖。

这里我得到了第二个启示:对于你认为正确的事,应永远保持自己的信心,坚持做下去。

第三则故事:胶子的发现

在现代物理的基本理论中,光子是原子间作用力的传递者,而胶子则是夸克之间作用力的传递者。1979年,以麻省理工学院为主,由我率领的研究组利用在德国汉堡的正负电子对撞机进行实验。实验中我们发现有三个粒子族射的事例,这样的事例只能以胶子的存在来说明。这个发现并非此实验的原始目标,但由于我们准备充分,并没有漏失这个意料之外的现象,因而证实了胶子的存在。

所以我又有了第三个启示:对预料之外的事件做好充分的准备。

第四则故事:寻找反物质与暗物质的实验(AMS实验)

根据“宇宙是由大爆炸产生的”这一理论,爆炸产生出对称的正物质和反物质,所以应该有一个反物质的宇宙同时存在。

经过多年的实验,我们现在知道所有的粒子均有其对应的反粒子。问题是如何找到由反物质组成的宇宙。

如果有反物质存在,它必然会释放出反碳、反氦、反铅,等等,它们会在大气层中被湮灭掉。因此,我们设计了一个探测器并将它送入太空进行探测。由于反物质与物质的电性相反,我们可探测粒子在磁场中的轨迹,根据其旋转方向,确定其电荷符号,进而分辨该粒子是正粒子还是反粒子。

AMS就是我们根据以上考虑设计的探测器。AMS(01)已于1998年6月由美国“发现”号航天飞机带入太空进行了10天的太空飞行,并采集了大量的数据。我们所发表的文章得到了国际物理学界的高度评价。AMS(02)将于2003年送到国际空间站进行3-5年的实验。

综上所述,我们现在面临的新问题是:如果宇宙开始于大爆炸,物质与反物质应该各占宇宙的一半,那么,反物质的宇宙在哪里?

这就是我的第四个启示,也是最重要的:保持好奇心,对自己正在进行的工作感兴趣,并辛勤地工作,力求达到最终的目标。

谢谢!

(选自《院士书信》中丁肇中《寄语中国中学生》一文,上海科技教育出版社2002年,有删改。标题为编者加)

(原载于2012年9月740期《初中生世界》八年级读写版)

编辑:汤雯

责任编辑:刘北洋

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