我所經歷的現代物理及體會(二)

丁肇中

(麻省理工學院，馬薩諸塞州 02179-4307，美國)

3 對意外的現象要有充分的準備

第3個實驗是1979年發現膠子。剛才已經和大家介紹過了，原子外面是電子，元素按照電子排布就變成周期表。原子里面有原子核，原子核里面有粒子，粒子里面有夸克，把夸克“綁”在一起的是膠子。發現膠子的意義是很大的。宇宙中有三種力：一種是引力。引力波從1942年開始探測，現在才發現，去年拿到了諾貝爾獎；電弱力是由光、Z0、W±子傳輸的；強力，是在夸克中間的力，是由膠子傳輸的。

在上世紀七十年代，世界上最大的加速器，是在德國漢堡名為PETRA的300億eV對撞機(圖10)，這是我的實驗。實驗目的是繼續找電子的半徑。

圖10 德國漢堡PETRA300億電子伏特對撞機

我一直很奇怪，為什么我們天天用電，卻永遠也找不到電子的半徑。那個時候，中國有件事“文化大革命”，可那個時候我天天在實驗室中，并不知道這個是什么，1975年回中國以后才知道有個叫“文革”。1977年8月17日回到中國，鄧小平主席建議每年派10個科學家參加我的工作(圖11)。從那個時候起，中國科學家參加我們團隊，做出了世界公認的貢獻。1978年以來，有超過了1000位中國科學家來參加了我的實驗。有部分的科學家回到中國，比方說中國科學院的唐孝威、陳和生、鄭志鵬、王貽芳和山東大學的程林教授等。有一部分留在國外，留在麻省理工學院、加州理工學院、密西根大學，還有很多其他大學。這是1978年第一批到德國實驗室的科學家的照片(圖12)，中間這一位是我的妻子。

圖11 1977年8月鄧小平接見丁肇中

圖12 第一批到德國實驗室的科學家

怎么樣使膠子發現：當有一個能量很高的正電子和負電子碰撞的時候，能量就變成質量，質量可以產生成夸克。夸克出來以后，就變成一個噴注；然后有反夸克，也放出一個噴注。假使有膠子存在，就會有另外一個能量。膠子能量很低的時候有兩個噴注，隨著膠子的能量增高，會有3個噴注。發現相應的現象就意味著除了夸克以外，還有膠子(圖13)。

圖13 實驗的現象意味著除了夸克以外還有膠子

所以膠子的發現是非常重要的。1979年9月2日，美國《紐約時報》頭版整篇的消息介紹了這個實驗(圖14)。中間有一段說：27名中國科學家參加了主要的實驗。在有關核粒子的國際合作研究史上，這是第一次，也是中國的一個重要的貢獻。當年的人民日報也報道了關于膠子的發現(圖15)。

所以做實驗的第三個體會：對意外的現象要有充分的準備。因為我開始做實驗的時候根本沒想到會發現膠子。

圖14 紐約時報報道膠子的發現

圖15 人民日報的報道

4 組織大型國際合作，要選科學上最重要的題目

第4個實驗花了20年，在歐洲核子中心的L3實驗(圖16)，就是用周長27 km的正負電子對撞機完成的，用1 000億eV的正電子和1 000億eV的電子對撞。至于對撞的溫度，大家可以想到，1 000億eV的電子對撞，產生的光是很亮的。日光燈管是220 V，1 000億eV對撞時的溫度是太陽表面溫度的4 000億倍，是宇宙誕生最初的1 000億億分之一秒時的溫度，也就相當于在實驗室里制造宇宙剛開始時的溫度。

圖16 第4個實驗

要找什么呢？要找宇宙中最基本的粒子。我們說，通常用電，有電子。在宇宙中有幾種不同的電子？電子到底有沒有體積？電子能不能分成更小的東西？你要是問理論物理學家，他們會告訴你，這些都知道了，想這些是沒有意義的。人們之前認為宇宙中只有3種夸克，第4個夸克被我發現以后，現在第5種第6種都已經找到了。發現了第4種，就意味著原來的觀念是錯誤的。到底有多少種夸克？夸克有多大？理論物理學家覺得，這些問題他們已經都知道了。可要是不去做實驗，你永遠不知道事實是怎么回事。

L3是一個很大的國際合作組，有很多的國家參加。原來是十幾個國家，在做這個實驗的時候，蘇聯忽然“變成”很多個國家了。實驗用的核心儀器和一間屋子差不多大，包含不少的探測器，儀器內部放有晶體。儀器中的磁鐵都是由線圈組成的，有28個線圈，每個重40 t。蘇聯科學院制造的量能器，有300 t的鈾，10萬個電子信號通道。(圖17)L3實驗是首次美國、 蘇聯(前)、中國(臺灣)、歐洲等19個國家的600名科學家，共同參加的大型國際合作。中國的主要貢獻是由上海(中科院)硅酸鹽所生產的BGO晶體，BGO晶體是透明的，其比重和鋼相同。當時世界年產量只有4 kg，可是我需要12 t。這個問題被上海科學院(中科院硅鹽酸所)解決了。現在他們的晶體產品，已被廣泛用于世界的工業及醫學領域。

圖17 實驗所用電磁鐵、量能器

儀器的電磁鐵和300 t鈾均來自蘇聯。這是蘇聯70年來在國外做的最大的實驗。那段時間我經常到莫斯科去，最大的印象就是那邊的飯不好吃。這個實驗20年發表了300篇文章，有300個人獲得博士學位。《科學美國人》用雜志封面介紹了我的實驗。實驗的結果可以用三句話總結一下：

(1)宇宙中只有三種不同的電子。第一種就是我們天天使用的，“走過”導線的電子；第二種是宇宙線上的電子。宇宙線上的電子比我們通常用的電子(即第一種)重200倍；再有一種就是原子里面的電子，比我們通常用的電子重4 000倍。

(2)電子是沒有體積的，電子的半徑小于10-17cm。我開始做實驗的時候，證明電子半徑小于10-14cm，經過30年的時間減少了三個數量級，就是(意味著)永遠找不到電子的半徑精確的數值。這個是非常奇怪的現象。我們天天用電，但永遠找不到電子的半徑。

(3)夸克也是沒有體積的，夸克的半徑也小于10-17cm。

我的第四點體會：組織一個大型的國際合作，最重要的是要選科學上最重要的題目，引起參加國科學家最大的興趣。因為我并沒有權利要求各國政府支持我，只能幫助他們的科學家向政府解釋實驗的做法。

更重要的是，科學是很多人一起做的，絕不是我一個人做的。所以對貢獻大的科學家(投影材料上為“國家”)，要有優先的認可，并使之得到國際上的公認，這樣才能得到參加國政府長期的優先支持。人家支持你，你卻把所有的結果都認為是你自己的，這就很不對。