我所经历的世纪实验物理学

丁肇中　我所经历的20世纪实验物理学

丁肇中　我所经历的20世纪实验物理学^[1]

要实现你的目标的话，最重要的是要有好奇心，对自己所做的事情有兴趣，不能因为别人反对你就停止。

物理学家丁肇中

在基础科学研究上，光与物质的相互作用是最早研究的课题之一，在公元前4世纪的《墨子》中就可以找到。在天文学上，中国作了第一个有关新星现象的文献记载。世界上关于新星的最先报道，就在公元前1300年左右的甲骨文上。直到16世纪，1572年的第谷（Tycho Brahe）、1604年的开普勒（Johannes Kepler）才有关于超新星的详细记载，这在西方国家是最早的。在中国最早的记载是在1054年关于超新星的报道。宋朝的邵雍主张，观察自然现象不应加入个人的主观臆想，这对学自然科学的人来说是非常重要的，他也是首先

用“物理之学”这一名词的人。

一、测量电子的半径

根据现代电磁学的要求，电子的半径应该等于零，这是1948年就建立的理论。1964年，哈佛大学和康奈尔大学的专家们做了一个实验，证明量子电动力学是错误的，电子半径为10^-13～10^-14厘米，这是一个非常重要的实验。那个时候哈佛大学和麻省理工学院在美国的剑桥做了一个大的电子加速器，周长1 000英尺。电子加速器能产生高能的光，打到电子上，就可以测量电子有没有半径。1964年物理学的最主要的成果，就是哈佛大学和康奈尔大学测量到电子的半径，实验结果与理论预言不符。理论预言说电子是没有半径的，这是费曼（Feynman）、施温格（Schwinger）和朝永振一郎在1948年所作的结论。而实验结果表明电子的半径在10^-13～10^-14厘米左右。

我那时候刚拿到博士学位，觉得这个实验太重要了，所以我想应该重复一下这个实验。可是在美国，所有人都认为这是第一流专家所做的实验，不必重复做，所以很不容易有机会来重复这个实验。1965年，我到德国的同步加速器实验室，用600亿电子伏的加速器来重复这个实验。

到了1966年，我们用不同的方法做了一个实验，发现电子的半径确实小得无法测量。我们的实验结果和理论的预言是完全符合的。完全符合就表示电子没有半径。所以，我要向年轻的科学家谈的第一个体会，就是不要盲从专家的结论。因为做这个实验的时候，我还从来没有做过这种实验，那些人（康奈尔大学、哈佛大学的）都是一辈子做这种实验的人。当年和我一起工作的人不多，他们现在绝大多数在美国的大学里当教授，或者用中国话说做领导工作。

二、发现新粒子

到了20世纪70年代，我们已经知道所有的基本粒子都可以归结成由三种夸克组成，比如中子里面有三个夸克，质子有三个夸克。我的问题是，为什么只有三种夸克？为了寻找新夸克，我决定建造一个高灵敏度的探测器。当时我设计的实验对新夸克和已知夸克的灵敏度的比是100亿分之一。“100亿分之一”是什么意思呢？就好比在波士顿或在北京下雨的时候，每秒钟大概有100亿颗雨点，其中有一颗雨点是红颜色的，你要把这颗红色雨点找到，所以是相当困难的。因为这个实验比较困难，同时当时几乎所有人都认为只有三种夸克（因为三种夸克可以解释所有的现象），所以这个实验到费米国家实验室被拒绝了，到了欧洲核子研究中心也被拒绝了，所有的加速器都不愿意做这个实验，认为是不可能的。终于在1972年至1974年间，我们在布鲁克海文（Brook haven）国家实验室，在一个比较低的能量加速器上用AGS来做这个实验。因为它能量比较低，实验变得更困难。我向大家解释一下它的困难程度。

假设你用100亿个质子，一秒钟打到一个靶上的话，就相当于每秒钟产生100亿个粒子，其中的强子你可以用5吨的铀、100吨的铅和10 000吨的混凝土来把它挡掉，剩下的就是软的中子。软的中子是很难挡掉的，惟一挡掉的办法是用肥皂，当时我觉得最困难的是向美国的能源部申请钱买5吨肥皂。就是在束流停了一小时以后“，靶区”的放射性还是5 rad，所以是非常危险的事情。

当我们完成在布鲁克海文国家实验室的实验时，我们发现了一个新的夸克。这种新夸克产生的粒子有两个不同的性质：第一，它的质量比所有粒子质量大；第二，寿命比较长，比所有以前知道的200种粒子的寿命长1 000倍。这是什么意思呢？比方说，世界上所有的人，寿命少于100岁，可是你忽然发现一个村庄，人的寿命是10 000岁的话，你就会觉得这些人可能有比较特异的性能。这就表示，以前说只有三种夸克的观念是错的，有第四种夸克。有了第四种，那就可能有第五种、第六种，把以前的观念改变了。当年发现“J粒子”的数据显示，在正负电子质量为3 GeV时候，忽然有很高的峰，就表示存在新的东西。当年参加那个实验的只有几个人，现在绝大多数在美国大学教书。所以我的第二个体会是：对自己应该有信心，做你自己认为是正确的事情。因为做这个实验的时候，所有大的国家实验室都反对。

三、发现胶子

光子是电子和原子核之间传送力的传送体，在夸克中间传送力的是胶子。1979年开始，我们到德国用正负电子对撞机来测量正负电子对撞中间所发生的现象。从1978年开始有大批中国科学家到我这儿工作，其中有唐孝威。当年的实验仪器，用现在的规模来说是很小的，只有一个人这么大。正负电子对撞时会产生很多的强子，有的强子在一个平面上产生，集合成“喷注”出射。假使有胶子存在的话，正负电子对撞可以产生夸克、反夸克和胶子。因为最初是在一条线上，所以产生以后一定在一个平面上。从上面看起来可以有三个喷注：一个是反夸克，一个是胶子，一个是夸克；从垂直其上一个方向看呢，一定只是一条线，这是因为有动量平衡的关系。当年中国科学家和我所做的实验，从上面看下来有夸克、反夸克和胶子的三个喷注，垂直看却只有两个喷注。常常有人以为发生一个三喷注就是有胶子，这是完全错误的。最主要的是喷注的形状与量子色动力学（QCD）预期是完全符合的。根据胶子的能量，你可以慢慢看见这个三个喷注的成长过程，就是低能的、中能的、高能的。当年唐孝威教授、陈和生教授等所发现的事例发表在美国《今日物理》（Physics Today）上。

所以我的第三个体会是：对意外的现象要有充分的准备。因为我们开始做实验的时候，没有人想到会发现胶子。我们也同时继续测量电子的大小，分别在能量30 GeV、20 GeV和10 GeV，测量的数据和量子电动力学完全是符合的。表明电子、宇宙线的μ和另外一种叫就是比电子重4 000倍的电子）的半径小于10^-16厘米。当年和我一起工作的部分科学家今天也在场，包括现在的中国科学院高能所的陈和生所长。根据这些实验和以后很多别人更重要的实验，我们就知道世界是由点粒子组成的，有u、d、s、c、b、t夸克，还有轻子，就是电子、μ和。有了这个以后呢，你就可以通过实验解决问题。

第一个问题是有多少种电子？为什么只有三种？它到底有多大？电子能不能分成更小的粒子？另外一个问题是有多少种夸克？为什么只有六种？它有多大？能不能分成更小的粒子？所以人们现在正在世界上最大的加速器上找这些物质，在为解决这一问题而工作。LEP是周长为27公里的正负电子对撞机，在地下50米至170米，一部分在法国，另一部分在瑞士。加速器的原理非常简单，用1 000亿电子伏的电子跟1 000亿电子伏的正电子对撞，对撞时产生非常高的温度，是太阳表面温度的4 000亿倍，太阳表面的温度是6 000度。通常原子武器爆炸，就是太阳表面的温度。假使宇宙是由大爆炸来的话，在实验室里就能知道宇宙刚刚开始时候的情况。

欧洲核子研究中心、周长为27公里的正负电子对撞机（LEP）的鸟瞰图

我们大家知道宇宙是从大爆炸来的，最初有夸克和电子。我们的实验室就制造宇宙刚开始时的情况，为了找找宇宙初创时最基本的东西是什么。我们当时所做的L3实验，正负电子对撞在这儿有一个对撞点，有一个顶点探测器，有严东生教授给我们提供的特别的BGO晶体，然后有强子量能器，有μ探测器，然后有一个磁铁，这个磁铁是当年苏联给我们的。实验原理是非常简单的，我们用四种不同的探测器：电子、μ子、光子和强子，它们各自留下不同的径迹，这样就可以分辨不同的粒子。磁铁半径是14米×12米，5 000高斯，400万瓦功率。大家都记得在中学的时候用一个线圈就能产生磁场，这就是我们的线圈，总共有28个，每个大约重40吨，虽然这个线圈很大，磁场很高，总共大概有6层楼高，但精度要求很高。线圈内是μ探测器，μ探测器的体积是3000立方英尺，精确度是30 μ，总共有25万根丝。

严东生、殷之文院士在察看BGO晶体

一个精密的仪器，除了它本身精密以外，装仪器的支架也必须非常精密，因为这个支架是放在磁铁里的，所以是用不锈钢来做的。支持那个磁铁的不锈钢支架的原料来自苏联，是在瑞典做的，长34米，重大约120吨，因为要放在地底下50米，所以把磁铁运到探测器所在地面以后，要慢慢放进去，差一点就放不进去。正负电子对撞以后产生光子、电子，用晶体来测量，剩下的强子只能测量它的能量，把它吸收掉。要吸收掉必须用密度很高的金属，密度最高的金属就是U²³⁸，所以我们用了很多的U²³⁸来吸收。L3最重要的部分就是在上海硅酸盐所做的BGO晶体。BGO晶体在我们做以前，世界上产量很有限，后来有机会碰见严东生，当时他是中国科学院副院长，他说他们有把握做出12吨来，所以跟他们一起合作，果然做了出来。现在世界上已经大量地应用了。要做正负电子对撞，最精密的仪器就是顶点探测器，一立方米体积内精确度是4 μ，这个当然只有瑞士人可以做。所以几乎所有的最精密的仪器，是在日内瓦和苏黎世高工做的。这个L3探测器是现在的高能加速器实验已经做成的探测器当中最大的一个，重10 000吨，体积是50英尺×50英尺×50英尺，它的精确度是4 μ，温度的精确度小于一度。很多人参加了这个实验，包括朝鲜、中国、印度、俄罗斯、瑞士和欧洲几乎所有国家，以及美国很多的大学。参加这个实验有很多中国同志，有唐孝威、陈和生等。这个实验在20世纪80年代的中期和末期是最大的合作项目，也是欧洲、美国、苏联和中国最大的合作项目。美国有很多学校参加，包括水平很高的学校，同时也包括足球很好的学校，还包括一些做武器的单位。不过我觉得最难得的并不是中国、苏联和美国的合作，最难得的是与瑞士的大学一起合作，据我了解这是苏黎世高工、PSI等大学第一次在一起工作。这个实验在正负电子对撞以后产生很多很多的事例。现在已经发表了大概接近300篇文章，这么厚，不过这些文章可能用一张纸就可以展示出来了，就是说只有三种不同的中微子；电子、μ和都已经找到了；电子是没有体积的，电子的半径是小于10^-17厘米，这就很奇怪了，天天用电，永远找不着它到底是多大；夸克也是没有体积的，它的半径小于10^-17厘米。

1965年的时候，我们研究光子。那个时候只知道有三种夸克，知道电子的半径是小于10^-14厘米。在20世纪70年代，发现第四种夸克，发现胶子，知道电子半径小于10^-16厘米。到现在我们知道有六种夸克，电子有三个家族，知道电子的半径的上限缩小了1 000倍，可是还是不知道它到底有多大。现在我们继续和苏黎世高工、日内瓦大学以及中国科学院的高能所等努力合作。现在要解决的问题是：质量的本源是什么？为什么电子、质子、π等有不同的质量？现在我们还继续在那儿工作。

四、寻找反物质组成的宇宙

反物质的存在是1927年由英国的科学家狄拉克（Dirac）提出来的。1933年12月10日他拿到诺贝尔奖。他注意到在相对论和量子力学中，质量都是成平方的，质量成平方，就表示可以m×m，也可以-m×-m，所以狄拉克就问：“-m有什么意义？”从这儿就推测到反物质理论。这至少表明了这样两件事：第一表示拿诺贝尔奖是非常容易的；第二表示一个天才和一个神经不正常的人的距离是很小的。

我们现在已经知道所有的粒子都有反粒子，其实这个反电子是当年赵忠尧先生等和安德森（P.Anderson）在加州最先发现的。所有的粒子都有反粒子，在加速器里都找到了，原子有反原子，原子核有反原子核，这并不奇怪，都已经找到了，我们要问的问题并不是这个，我们要问的问题是：在大爆炸理论中，宇宙起源的时候，温度非常高，因为在爆炸以前什么都没有，爆炸以后有粒子，应该有同样多的反粒子，问题就是现在宇宙已经150亿年了，反宇宙、反物质所组成的宇宙在什么地方？我们知道在太空中有氦，有铅，有很多很多的原子，所以假如反宇宙存在的话，什么地方有反氦和反铅的原子？我们要从实验弄明白：由反物质所组成的宇宙在什么地方？假使它存在的话，我们应该在太空中寻找反物质宇宙所产生的反铅和反氦原子。反铅和反氦原子不能在地面上找到，因为它们会被大气的原子湮灭掉。因为反物质的特性是，一旦和物质相遇以后，马上就变成能量，就变成光，你就找不到了。因为原子和反原子有相反的电荷，所以要寻找反原子必须用磁铁来测量其在磁场中的轨道，正的向左边转，负的向右边转。现在我们使用阿尔法磁谱仪（AMS）做一个在国际太空站上找反物质宇宙线和暗物质的实验。什么叫暗物质？就比如星，它有个轨道，这个轨道是万有引力和离心力的平衡，所以有轨道。万有引力是这个星的体积和其他的物质一起引来的，这一算的话，就发现算出的物质总量比能看到的物质要大10倍。换句话说，95％以上的物质是看不到的，因为看不到，可是又知道它一定存在，所以叫它暗物质。要不然的话，要是没有这个暗物质的话，所有的星球都不会有一个永远的轨道。这是正在建造的国际空间站，长100米，宽80米，重480吨，上面通常住6个人，AMS在图的正中偏左。

国际空间站上的阿尔法磁谱仪（AMS）

这个实验是空间站上惟一的一个物理实验，是美国、中国、俄罗斯、芬兰等国家的首次合作，也是在太空中用粒子物理实验的仪器和技术的首次实验。它有一个超导磁铁，还有各种探测器，测量速度，测量能量，测量动量，它的外壳是那个航天飞机货舱的大小，因为一定要用航天飞机把它带上去。

第一步是1998年6月2日用“发现号”航天飞机把这个装置带到天上去实验了10天。带上去的是一个同样大小的实验仪器，其中的磁铁由中国科学院电工所董教授和夏教授等一起做的。原理非常简单，大家都知道动量等于质量乘以速度，所以要知道质

阿尔法磁谱仪上中国制造的磁铁

量，你可以测量动量，具体就是测量在磁场中的轨道，然后测量飞行时间，你就知道速度，就知道质量。第一步的实验是1995年4月19日由美国宇航局和能源部批准的。1997年12月，在瑞士苏黎世高工完成组装，绝大部分的仪器在瑞士等国家做，电子仪器是美国和中国台湾合作制造的。刚才已经说了，磁铁由中国科学院电工所做，然后运到肯尼迪发射场送到天上去。很多国家的人参加了这个实验，德国有亚琛大学，以及慕尼黑的马普学会，还有很多航空航天的企业；更多的瑞士人参加这个实验，包括苏黎世高工、日内瓦大学，以及包括沃里肯等，这些都是世界上非常有名的航空航天科研机构；还有很多的意大利大学，如博洛尼亚（Bologna），佩鲁贾（Perugia）和米兰，以后也有很多的航天企业参加；同时也包括法国的归诺波和安纳西，以及很多的航天工业的机构；也包括西班牙和葡萄牙、芬兰的赫尔辛基和图尔库（Turku）大学，还有在北极圈以外的公司；中国的航天部一院、高能所和电工所，以及台湾的中山科学院和中央研究院。中国参加的科研人员有夏平畴、顾文琪、严陆光、董增仁，航天部一院的陈振官、杨金宁、朱维增，中国科学院高能所陈和生、唐孝威等。美国主要以麻省理工学院为主，更重要的是美国的宇航局，因为这是第一次把磁谱仪带到天上去，是比较危险的事情，在安全上要引起足够重视，所以美国宇航局特别组织了一个机构来帮助我。因为有了这么多人参加，尤其是包括航空、航天的机构，而且造价十分昂贵，有人说：你把钱直接放到太空上比你做这个实验还便宜。磁铁是在电工所做的，磁铁是很不容易做出来的，除了这个磁铁以外有硅微条探测器，有3平方米，精确度是10 μ，是在苏黎世高工安装的。1998年1月28日，我们用飞机把探测器运到美国国家航空和宇航局（NASA）的航天飞机降落的一个飞机场，然后用一个月的时间自己进行调试测量，第二个月的时间与2 000公里以外的Johnson空间中心的控制室进行联合调试测量，最后一个月在肯尼迪发射场进行测量。4月16日装到航天飞机上，6月2日送上太空。

阿尔法磁谱仪搭载“发现号”航天飞机

这是搭载AMS的航天飞机。阿尔法磁谱仪重5吨，所以放在货舱后面。前面是放置要运到空间站上的水和食物，所以这架航天飞机这次有两项任务：一项任务是用三天的时间向空间站上运东西；另外一项任务是用10天时间让我们做实验。发射升空时的加速度是3 g，就是比地球的引力大三倍。货舱打开以后，第一个问题就是，电工所做的磁铁还能不能用。我们在硅探测器里放了一个激光束，升空以前有一个激光束的显示。到了空间以后，把舱打开了，我记得非常清楚，没有人说应不应该通电，因为大家都非常害怕。等到我来了以后，我就说把电源接通，把激光束打开，打开以后就发现这个测量值和地面的测量值在1 μ左右，完全是符合的，所以磁铁工作正常。

因为这是人类第一次在天上测量带电粒子，所以发现很多想象不到的现象。我花了很多年测量光变成正负电子。光变成有同样多的正电子和负电子，所以你应该想象到在天空上正电子的数目和负电子的数目是一样多的。第一个不能想象的结果，能量达3 GeV时发现在赤道上面正电子数目是负电子数目的4倍！很难想象这是怎么回事，为什么正电子4倍于负电子？

第二个比较难以想象的是什么呢？大家都知道地球有磁场，所以当航天飞机离赤道近的时候，带电粒子运动方向和磁场垂直，所以只有能量很高的粒子可以进去，低能的粒子就被磁场排斥出去了。到了北极和南极的时候，带电粒子与磁场是平行的，所有的粒子都可以进来。

从赤道开始慢慢向北极走，看通量和粒子动能的关系怎样变化。离赤道很近的时候，在高能端能量越低粒子数量越多，然后能量降到10 GeV的时候，因为在赤道粒子运动方向是和磁场垂直的，所以低能粒子慢慢地被转弯掉了。到了北极和南极的时候，因为是和磁场平行的，所以所有能量很低的粒子也可以进来，这是很普通的现象，这是你应该想象得到的现象。可是你继续测下去，和预期的就完全是两回事情，更低能量的质子数反而增加了。质子的通量为两个不同的现象，第一个是你可以想象的，第二个是你完全想不到的，为什么还有第二个分布图？根据地球磁场的分布，这些是根本不应该存在，在赤道附近根本不可能有非常低能的质子存在，因为会被磁场排斥出去。同时发现质子的通量由上向下和由下向上是同样大小，你把航天飞机转过来以后，没有引力你可以让它倒过来，你可以看到从下向上，或者从上向下一样多。这表示什么呢？表示在赤道上空有一个6 GeV的质子环，离地面是400公里。在质子环中观测到等量地飞离地球和飞向地球的质子，就是离地面400公里、宽4 200公里、厚10公里、能量直到6 GeV的质子环，进去的和出来的质子是一样多。很难解释这个现象。原因是什么呢？原因是过去40年里面，我们所做的实验都是测光子的，光子的实验可以用人造卫星和地面站来测量。除了光子以外，有很多带电粒子，正电子、负电子，质子、反质子，不同的原子、反原子，这些东西不能在地面测量，因为带电马上就被地球吸收掉了。因此必须用到磁场，这是第一次测量这些带电粒子，所以你觉得很奇怪，可能再继续做下去，过了10年20年，了解这些事情以后就觉得不奇怪了。至少到现在为止，不能解释这是为什么。

图12-7　大爆炸宇宙

美国宇航局已经决定在2003年5月3日再把AMS载到空间站上，作为第一个安装在空间站上的科学实验，原结构中由中国制造的永久磁铁将改成超导磁铁。之所以改成超导磁铁，是因为超导磁铁灵敏度比永久磁铁大10倍，可进行3年到5年的实验。超导磁铁能够用到太空上是技术上高速发展的体现，就是不久以前（包括到现在）很多人还认为是不可能的事情。现在在英国牛津做的超导磁铁，大概2000年年底做完。做完以后就由航天飞机运到空间站去，做为期3年到5年的实验。所遇到的问题就是：如果宇宙起源于大爆炸，宇宙的一半应该由正物质组成，另一半由反物质组成，反物质的宇宙在什么地方？

另一个问题就是我刚才所说到，90％以上的宇宙是观察不到的，它们是由暗物质组成的，暗物质是什么？这些问题是我们难以想象的。

我有一个“理论”绝对正确，为向大家介绍，必须先向大家报告加速器实验的发现史：50年以前美国的布鲁克海文国家实验室做加速器的时候，原定的目标是找π和质子相互作用，结果发现的是两种中微子，CP破坏，第四种夸克就是J粒子；30年以前费米国家实验室制造加速器的时候，原来是做中微子物理，实际上发现的是第五种夸克、第六种夸克；斯坦福直线加速器原来是做量子电动力学和电子质量实验的，结果发现的是ψ粒子和轻子；在日内瓦的质子对撞机上，原来是找Z和W，结果发现的是质子质子反应总截面的增加；在德国的汉堡正负电子对撞机上，原来的目标是找第六种夸克，结果发现了我刚才所说的胶子的喷注。从这些你就可以看出，过去50年里面，做加速器要用很多的经费，你写一个申请报告书，设定一个目标，说服政府的人，然后去做加速器。你实际发现的实验结果往往跟原来的目标根本没有关系。

我刚才花费了大家很多时间，解释我这个实验怎么重要，可以做暗物质、做反物质，根据以前的经验要是有发现的话，跟我刚才所说的可能一点关系也没有。因为这是第一个到太空中的磁谱仪，是探测一个全新的领域。所以我第四个体会就是：要实现你的目标的话，最重要的是要有好奇心，对自己所做的事情有兴趣，不能因为别人反对你就停止。

【注释】

[1]本文节选自上海教育出版社2000年版《百年科技回顾与展望——中外著名学者学术报告》。作者丁肇中系华裔美籍物理学家。因首先发现J粒子而获1976年诺贝尔物理学奖。他长期从事高能物理实验，取得了一系列重大成果。