丁肇中讲述的五个故事

美籍华裔物理学家丁肇中邀请新上任的外交学院院长吴建民（原驻法大使）到他家里做客，吴院长向丁教授提了一个要求，请丁教授到外交学院讲课。丁教授欣然同意了。

外交学院为什么要请著名的物理学家丁肇中教授讲课呢？吴院长说：“道理很简单，优秀的外交官是通才，而不是专才，是杂家，懂的世界很广，特别是对科学的理念要有一定的认识。”丁教授所要讲的是对过去３０年物理研究的回顾。他现在正在国际太空站搞一个实验，就是AMS（Ａlpha Magnetic Spectrometer 阿尔法磁谱仪），研究有没有反物质。吴院长曾问过他一个问题：“你怎么想起这个点子的──反物质？”他说：“我是在家里散步的时候想出来的。”他家里有个小树林，他经常在那里散步。演讲前，吴院长问教授，“你怎么把一个非常复杂的问题用简单的话给大家讲清楚？”教授回答说：“真理总是很简单的。”

我非常高兴到这里来介绍我做什么：我是花钱最多、经济效益最少的人。我说的事情就是“寻找宇宙中最基本的结构”。

在中国的古代对物质基本结构有两种不同的看法，一种看法认为最基本的结构是粒子，粒子是可以数得出来的；另外一种认为宇宙中最基本的结构是连续性的。粒子的观念起源就是阳和阴。连续性观念是公元前６００年道家创始人老子提出的。他认为最基本的东西是永远摸索不清的。在过去的两千年里，西方国家对基本粒子也有不同的看法。在两千年以前，西方认为土、气、水、火是最基本的东西。１６世纪，认为最基本的东西除了土、气、水、火以外，还有水银、硫磺和盐，变成了七种。在一百年以前，所有的科学家都认为我们已经知道宇宙中最基本的东西就是化学元素，制定了所谓周期表。上世纪６０年代，我们认为宇宙中最基本的东西是原子核，也有一百多个。到了６０年代末期，我们认为宇宙中最基本的东西不是原子核，而是好几百个基本粒子。现在我们认为宇宙中最基本的东西是六种夸克和三个轻子。所以，第一个观念是：物理上的真理是随着时间而变的。

现在我向大家介绍一下我所经历的实验物理和我的体会。我向大家说五个故事。

做科学的人，不要盲从专家的结论。

第一个故事，就是测量电子的半径。

大家都知道电子是一百年前由英国人汤姆逊（Joseph John Thomson）发现的。电子是我们日常生活里面最重要的，我们每个人天天用的任何东西都是由电子传输而来的。电子的半径是多大？１９４８年，有一个电子理论称电子是没有半径的。１９６４年，哈佛大学和康奈尔大学的专家们证明电子的半径是１０～１３厘米。那时，我刚拿博士学位，觉得这个实验太重要了，所以我就决定重复这个实验。１９６６年我在德国用不同的方法重做了这个实验，发现电子的半径确实小到不可测量，这是我的结果。实验的结果和理论推测完全符合电子半径为零的理论。这是我的第一个实验。现在人们测量的结果是它的半径小于１０～１７厘米。我的第一点体会：对于一个做科学的人，不要盲从专家的结论。因为我没有做这个实验以前，另外几个实验都是由世界上最有名的专家所做的，但结果都是错的。

要对自己有信心，做你认为正确的事

第二个故事，发现新粒子。在６０年代末期，人们对宇宙的观念是这样的：原子外面有电子，原子里面有原子核，原子打开有粒子，粒子打开有夸克。所以我的第二个故事就是讲新粒子家族的发现。到了７０年代，已经知道的基本粒子已经有好几百个，都可以归结为由三种夸克所组成。我就问：为什么宇宙中间只有三种夸克？为了寻找新夸克，我决定建立一个高灵敏度的探测器。７０年代初期，我设计了一个实验，目的是寻求新粒子组成，这个实验要求的精确度是非常高的。比方说，北京或者日内瓦下雨的时候，每秒钟有一百亿个雨点，假使有一个是红的，你要把这个红雨点找出来。这个实验不受物理学家的欢迎，因为学理论的人都说，所有已知的物理现象都可以用三种夸克解决，你这个实验是没有意义的。所以，他们认为世界上没有人能做出这样困难的实验。这个实验几乎被世界上每一个加速器实验室所拒绝。到了１９７４年，我们在美国纽约的布鲁克海文（Brookhaen）验室完成实验后，就发现了新粒子，发现新粒子后很快又有了新的发现。所以说有新的物质存在，这是由新的夸克组成的，因此只有三种夸克的观念是错误的。现在我们已经知道至少有六种不同的夸克。我的第二个体会就是：做基础研究，要对自己有信心，做你认为正确的事，不要因为大多数人的反对而改变。这可能是和外交不同的地方，因为科学的进步是多数服从少数，别人的意见是没有意义的。

做科学，要对意料之外的现象有充分的准备。

第三个故事，是胶子的发现。大家还记得在中学念书的时候都学过，原子外面是电子，中间是原子核，电子和原子核中间的力量是由光来传输的。在７０年代，我们知道，原子核里面有夸克，那夸克里面的力量是怎样传输的呢？理论上说是由胶子来传输的。实验的结果表明，胶子果然存在。这就很快、很简单地把一个很重要的物理现象发现了。所以，第三点体会：做科学，要对意料之外的现象有充分的准备。

善于进行国际合作。

第四个故事就是国际科学合作。我们知道宇宙是由类电子组成的，就是说有六种夸克和三种电子。第一个问题是：到底有多少电子？为什么只有三种？电子有多大？电子能不能分成更小的东西？到底有多少种夸克？夸克有多大？夸克能不能分成更小的粒子？为了做这个实验，过去２０年里我一直在西欧核子中心工作。我们在实验室里制造宇宙诞生最初一千亿分之一秒的情况。这是一个国际合作，有韩国、中国（包括台湾）、印度、苏联、欧洲国家和美国等２０多所大学、６００余名科学家参加实验，有大概５０个研究室。当时恰逢冷战，但仍是由美国、苏联、中国和欧洲国家参加的一个大型国际合作。实验开始的时候，只有１５个国家，做到一半，苏联解体了，就变成了１９个国家。经费的１／３来自美国，１／３来自苏联，还有１／３来自欧洲。目前发现，宇宙中只有三种不同的电子。电子是没有体积的，根据人们现在的认识，它的半径小于１０～１７厘米。大家想一想，这是非常奇怪的现象：我们天天用电，已经用了一百多年了，但却永远找不到电子的半径是多大。你晚上要是把眼睛闭起来想一想，这是非常奇怪的现象。夸克也是没有体积的，半径小于１０～１７厘米。很多中国科学家参加了我的工作。除了科学研究以外，对我个人来说，比较高兴的就是，这个过程中诞生了很多很有成绩的科学家。我的第四点体会是，领导一个大的国际活动，最重要的是要选科学上重要的题目，引起参加国的科学家的强烈兴趣。第二，领导一个大的国际合作，对贡献大的国家要有优先的认可，使之得到国际上的公认，这才能得到参加国政府的长期优先支持。

实现你的目标：好奇心加勤奋。

第五个故事，就是向大家展示一下我现在在做什么。我在国际空间站上研究外太空的反物质，就是所谓的ＡＭＳ实验。国际空间站现在正在建造，长１０９米，宽８０米，重４２０吨。２００６年后，它将是夜空中除了月亮和金星以外最亮的星。因为它绕着地球转，所以大家可以看到。它的大小相当于三个足球场这么大。这个空间站是美国、日本、俄罗斯和西欧所有国家一起做的，造价是１０１１亿美金，并不便宜。学外交的应当知道１０１１亿是什么概念。这个实验经过大量的国际竞争以后，成为空间站上惟一的大型科学实验。

反物质的存在是在１９２８年由英国科学家狄拉克（PaulA．M．Dirac）推测出来的，１９３３年他获得诺贝尔物理奖。我跟吴院长讲过，拿诺贝尔奖有时候是很容易的。也有人说一个天才的物理学家和一个神经不正常的人之间的距离是很短的。可是，他为什么拿诺贝尔物理学奖呢？因为很快带正电荷的电子就被发现了，就是电子的反物质。电子带负电荷，反物质的电子带正电荷。这就证明反物质确实是存在的。这是３０年代。到６０年代，美国的《纽约时报》有一个消息：《很复杂的反物质被发现了》。这是我当年的第二个实验。这个实验什么意义呢？假使宇宙真的曾经发生过大爆炸，爆炸以前什么都没有，在爆炸的时候温度非常高，有电子的话就应该有正电子，有夸克就应该有反夸克，有物质就有反物质，才能平衡起来，因为爆炸以前是真空。宇宙已经有１５０亿年了，经过１５０亿年以后，有各位，有院长，有我。那么，由反物质所组成的宇宙到哪里去了？就是这个很简单的小问题。由于物质和反物质在大气中互相湮灭，所以不可能在地面上探测到，只能将探测器放在太空中。因为原子和反原子有相反的电荷，所以找反原子也必须用磁铁来测量磁场上的轨道。换句话说，正物质与反物质的转向是相反的。所以，这是我们将用在空间站上的仪器。这个实验是美国、中国（包括台湾）、俄罗斯、芬兰、法国、德国、意大利、瑞士、西班牙等１５个国家首次在空间的活动，也是空间站上惟一的实验，是美国政府和俄罗斯政府在空间站上的重要合作。到了２００６年，大家晚上没事的时候往天上看一看，记住上面有一个小实验。要找什么呢？如果宇宙起源于大爆炸，一半的宇宙是正物质组成的，另一半是反物质组成的，反物质组成的宇宙在什么地方？为什么要这么大的仪器在空间工作三年到五年呢？因为在三年到五年中，你可以测量到２０亿个氦。如果２０亿个氦里还没有找到一个反氦，就说明你已经走到宇宙的边缘了。为了保证这个仪器能正常地工作，我们在中国南京的东南大学设计了一个和天上一模一样的仪器，万一天上出现什么现象的话，你可以在地面上审查它。万一你要改程序，先在地面上把程序改好，再送到天上去。

我现在向大家说我的第五个体会，要实现你的目标，最重要的是要有好奇心，对自己正在做的事情感兴趣，同时要勤奋工作。

从发现到应用会有一段时间。

可能有的人要问，你花这么多的力气，花这么多的钱，有什么用处？我给大家讲一讲过去一百年里面，最伟大的物理学家对新发现的现象所做的预言：第一个就是恩内斯特•卢瑟福（Ernest Rutherford ）。这是非常有名的物理学家，拿过诺贝尔奖。他认为：“通过打破原子来产生能量是不合算的，任何希望将原子嬗变转化成能源的想法都是空想。”还有一位很有名的科学家李•德福斯特（L．Forest），美国人。他说：“电视从理论和技术而言是可行的，从商业和经济的角度来看，我认为是不可能的，它不过是个浪费时间的梦想。”上个世纪最伟大的英国科学家开尔文爵士（Lord Kelvin ）说：“X射线是骗局。”这三位著名科学家的预言都错了。所以让物理学家推测将来是不可信的。不过，总结后你就了解到：物理学是跟距离有关系的。１００年以前，最尖端的物理学是力学、热学、光学，现在用在航空、航天、无线电和电视上。３０年代最尖端的物理学是原子模型、量子力学，现在用在半导体、激光、超导体。４０年代最尖端的科学是原子核模型，现在用在核聚变和同位素上。从大距离来说，１００年以前，是彗星、行星系统，现在用在气象卫星和太空实验室、地质探测。更大的距离是恒星，研究太阳，现在用在导航上。什么意思呢？从发现到应用，有一段时间，这时间可能是３０年、４０年。当一个新的科学开始的时候，它永远在尖端，因为在尖端，常常被人们认为是没有用的，奇怪的现象。只能经过３０年、４０年后，等大家熟悉这个现象后才能转换为应用。转换为应用的时候，往往改变整个人类的生活。