我所參與的２０世紀的物理學

編前話

原煙臺聯中校長張敏之的子女為紀念其父獻身教育、關愛學生的精神，成立了“張敏之教育基金會”，并于2000年5月為母校煙臺二中捐贈10萬美元，用于“張敏之教學樓”的建設。2001年7月2日，“張敏之教學樓”落成剪彩，著名華裔物理學家、諾貝爾獎獲得者丁肇中先生寫來親筆賀信，勉勵中學生努力學習，培養興趣，成為有用之才。

丁肇中致同學們的一封信

同學們：

很高興在張敏之教學樓揭幕式上和大家談談我個人在科學上的體驗。小時候常聽我父母談起張敏之先生的事跡和在教育上的貢獻，同時我還記得我母親講她小時候在煙臺上學的故事，給我留下很深刻的印象。

自然科學(物理、天文、生物、化學等)是實驗科學。一個理論無論它多么高明并合乎邏輯，若無法由實驗加以印證，終究是毫無意義的。實驗與理論交互影響的結果，促進了科學的進步。先進精確的實驗結果和理論之預測互相對照，終致產生新的理論，而此新理論又面臨新的實驗之挑戰。所以作為一個好的科學家，必須對理論與實驗的基礎有深入的理解。

大約半個世紀前我在中學讀書時，并非班上的佼佼者。我的父母從未要求我背書，也未要求我在考試中爭取最高分數。

對我影響最深者是我的母親，在考試中無論我得到怎樣的成績，她都能諒解與接受。平時在家里我們經?？梢月牭皆S多偉大的科學家的成就事跡與逸事，這樣一個溫馨自由的家庭氣氛，加上科學家的影響。使我在年輕時即已下決心做一個科學家。

在高中時，我曾對中國歷史深感興趣，中國有世界上最悠久且未曾間斷的歷史記錄，其間有許多偉大的成就值得我們驕傲。

我同時也對數學、化學和生物興致勃勃，對其他科目則表現平平。我曾花了相當長的時間在物理和數學兩科。記得當時曾對牛頓定律F=ma的意義想了數周之久。對質量m、加速度a及力f之物理意義非常困惑不解。

在中學接受到的非常踏實的教育，對我日后成為一個物理學家有極大的幫助。1955年中學畢業，1956年進入美國密西根大學，直到1962年止，歷時六年，我相繼獲得物理學和數學學士學位及物理學博士學位。1976年，我獲得了諾貝爾物理獎。

我想用四則簡短的故事談談我所參與的20世紀的物理學。

第一個故事：測量電子的大小

費曼、薛丁格、朝永正一郎等知名物理學家，在近代電磁理論中均認為電子是沒有體積的。在1960年之前，所有的實驗均與這個理論的預測相吻合。1964年由哈佛大學與麻省理工學院建造完成一個大型電子加速器，并由哈佛大學與康乃爾大學在這方面的專家設計了一個高靈敏度的實驗，求測量電子的大小。實驗結果顯示，電子是有體積的，它的半徑是10^-14cm。實驗與原理不相符合，證明近代電磁理論是錯誤的。

1966年我在德國用不同的方法重作這個實驗。結果我們發現電子的確沒有可測量的大小，其半徑小于10^-14cm，與理論完全符合。也就是說近代電磁理論是正確的。這個故事得到第一個啟示：切勿永遠順從專家的想法。

第二則故事：新夸克的發現

在20世紀70年代，所有已知的基本粒子均由三種夸克組成。我當時就懷疑，為什么只有三種夸克?

為了尋找新的夸克，我決心組裝一個高靈敏度的探測器，該探測器對夸克探測的靈敏度為既有探測器的100億倍。也就是說，我們要在100億個基本粒子中找出由新夸克組成的新粒子。這個實驗的困難度可以用下面的比喻來說明：在一個下雨天，每秒鐘在煙臺落下的100億個雨滴中，有一個顏色不同，我們要將它找出來，其難度可想而知。

在當時，幾乎每一個人都相信夸克只有三個，再加上這個實驗的難度太大，使得世界上幾乎所有的加速器實驗室都拒絕接受這個實驗。最后，美國紐約的布魯克海文國家實驗室終于允許我們進行這個實驗。我們果然發現了一個全新的夸克，該夸克所組成的粒子呈現了意想不到的性質：

1．非常之重，比所有的已知粒子都重；

2．生命期很長，比已知的粒子長1000倍以上。

這些性質顯示新的物質的存在(來自新的夸克)。而夸克只有三種的舊觀念被證明是錯的。今天我們已知最少有六種不同的夸克。

由于這項成果，我獲得了1976年的諾貝爾獎。這里我們得到了第二個啟示：對于你認為正確的事，應永遠保持自己的信心堅持做下去。

第三則故事：膠子的發現

在現代物理的基理論中，光子是原子間作用力的傳遞者；而膠子則是夸克之間作用力的傳遞者。1979年以麻省理工學院為主，由我率領的研究組利用在德國漢堡的正負電子對撞機進行實驗。實驗中發現一些特殊的現象。我們發現有三個粒子族射(Jet)的事例。這樣的這個發現并非此實驗的原始目標，但由于我們的充分準備，并沒有漏失這個意料之外的現象，因而證實了膠子的存在。所以我們又有了第三個啟示：對預料之外的事件做好充分的準備。

第四則故事：尋找反物質與暗物質的實驗(AMS實驗)

根據宇宙是由大爆炸產生的理論，爆炸產生出對稱的正物質和反物質，應該有一個反物質的宇宙同時存在。

反物質的存在是狄拉克所提出，他在1933年12月諾貝爾獎頒獎的演講中，以“電子與正電子的理論”為題，講到下列式子：

式中m=(m)(m)=(-m)(-m)。(-m)的理論與(m)的理論有一樣的結果。

狄拉克問道：什么是(－m)?由此，他提出了反物質的理論。經過多年的實驗，我們現在知道所有的粒子均有其對應的反粒子。問題是如何找到由反物質組成的宇宙。

如果有反物質存在，它必然會釋放出反碳、反氦、反鉛等等，它們會在大氣層中被湮滅掉。因此，我們設計了一個探測器送入太空進行探測。由于反物質與物質的電性相反，我們可以探測粒子在磁場中的軌跡，根據其旋轉方向，決定其電荷符號，進而分辨該粒子是正粒子還是反粒子。

AMS是我們根據以上考慮而設計的探測器。AMS(01)已于1998年6月由美國“發現號”航天飛機帶入太空進行了10天的太空飛行，采集了大量的數據。所發表的文章得到國際物理學界的高度評價。AMS(02)將于

2003年送到國際空間站進行3～5年的實驗。

綜上所述，我們現在面臨的新問題是：如果宇宙開始于大爆炸，物質與反物質應該各占宇宙的一半，那么，反物質的宇宙在哪里?我的第四個啟示，也是最重要的：常保持好奇心，對自己正在進行的工作感興趣，并辛勤地工作，力求達到最終的目標。

謝謝!

丁肇中

2001．7．2

(趙聚奎王一秀摘自《現代教育導報》)