丁肇中：科学就是多数服从少数
中国新闻周刊记者/霍思伊
发于2023.5.29总第1093期《中国新闻周刊》杂志
“我想丁肇中教授不需要更多的介绍了。”5月16日上午，在中国科学院高能物理研究所举办的“高能论坛”上，所长王贻芳这样“介绍”后，台下掌声雷动。
丁肇中对观众点头示意。在熟悉他的人看来，过去十多年，丁肇中似乎没有太多变化。他照旧一身黑色西装，头发花白但打理利落，讲中文时慢声细语，声音不大，但笃定，说话时习惯双手合十在胸前，显示出一种从容而游刃有余。时间仿佛在他身上凝固了。
和大多数物理学家不同，今年87岁的丁肇中还活跃在科研第一线。他没有退休，是一个超大型国际合作项目阿尔法磁谱仪(AMS)的首席科学家。该项目由他提出，历经波折，直到2011年真正步入正轨，这一年，丁肇中已经75岁了。
过去12年，丁肇中每天早上七点起床，一直工作到晚上七八点，不分周末，极少社交，他几乎把自己100%的精力投入到物理实验“这一件事”中。他频繁出现在各种会议、论坛和电视节目中，定期介绍AMS的最新成果，并发表论文。
作为一名老者，丁肇中脸上的皱纹在增加，腰弯得更厉害了，但物理学家丁肇中一直没变。数十年来，他一直在讲述他的物理发现和物理观。
《经济学人》曾这样评价他：“高能物理中有许多超级聪明与超级自我的科学家，丁肇中在这两方面都鲜有对手。”5月16日的演讲中，丁肇中用一贯笃定的语气说：“自然科学的发展是多数服从少数，只有极少数人把多数人的观点推翻后，科学才能向前走。”
“把多数推翻的极少数”
丁肇中就是“把多数推翻的极少数”，他采取的办法很简单，就是实验。
“实验是自然科学的基础，理论如果没有实验的证明，是没有意义的。当实验推翻了理论以后，才可能创建新的理论，理论不可能推翻实验。过去400年，我们对物质结构的了解，大多来自实验物理。”5月16日的演讲一开场，丁肇中如此强调。一模一样的话，他已说过太多遍。
1976年诺贝尔物理学奖的获奖仪式上，丁肇中决定用中文演讲。他说，中国有一句古话：“劳心者治人，劳力者治于人。”由于这种思想，很多发展中国家的学生们都偏向于理论的研究，而避免实验工作。事实上，自然科学理论不能离开实验的基础，特别是，物理学是从实验产生的。
在物理学界金字塔尖的人物中，人人皆知，丁肇中是坚定的实验主义者，实验既是他的基本价值观，也是方法论。他自述，目前为止一共做了五个重要的实验，这些实验可以被归为两类：第一种是探索宇宙中最基本的结构；第二种是寻找宇宙的起源，横跨最微观和最宏观。
第一个实验是测量电子的半径。1965年，丁肇中刚结束欧洲核子研究中心(CERN)的博士后工作，回到美国，在哥伦比亚大学做讲师。此时，他只有29岁，还是个非常年轻而“无名”的物理学家，但他想要挑战权威。
根据量子电动力学(QED)理论，电子是没有体积的，但1964年，美国哈佛和康奈尔大学的两个团队，通过实验得出一个意外结果：电子半径为10-13~10-14厘米，也就是说，电子是有体积的，量子电动力学是错误的。
此结论一出，物理学界立刻产生震荡，很多人站到QED的对面，但丁肇中却对这一诱人的 “新结果”持怀疑态度。他认为，这是一个关于物理基本观念的实验，因为QED是所有物理学中最准确的理论。从法拉第到麦克斯韦，再到狄拉克，此前所有实验都和理论相符，难道都错了吗？为了更审慎验证QED，他决定自己设计一个新的实验方案，重新测量电子的半径。
他拿着新方案去咨询诺贝尔物理学奖得主、后来任费米国家加速器实验室主任的利昂·莱德曼教授，对方给他泼冷水，说“想法有趣但实现起来非常困难”“至少要三四年”，对于实验要用的很多电子仪器，他以前从未用过，缺乏足够的经验。“我认为你不能做。”莱德曼斩钉截铁地说，还和他赌了20美元。
但这并没有改变丁肇中的想法。和此后的很多次一样，他选择相信自己。他跑到愿意接收他的德国电子同步加速器研究所(DESY)，仅八个月后，就有了结果：电子的半径比10-14厘米要小，这意味着电子还是“没有体积”，抑或更准确的表述是无法测量，量子电动力学是正确的。又过了几个月，在一场讨论QED的国际高能物理会议上，哈佛、康奈尔团队各自做了长长的报告，丁肇中突然站起来向主持人提出，能否给他10分钟做一个简短报告。他用扎实的实验数据成功反驳了哈佛、康奈尔团队。后来，丁肇中收到了莱德曼寄来的20美元。
那场高能物理会上，现场被成功说服的人中，有一位物理学家叫理查德·费曼。十年后，到生命尽头仍保持孩子气的费曼给丁肇中写了封信，他“质问”道：“为什么诺贝尔奖要发给你？你所发现的新现象是我没有预料到也不了解的？”“我挑战你去发现一些我可以理解的东西。”
这是1976年10月21日，丁肇中因发现J粒子而获得诺贝尔物理学奖后的第三天，丁肇中成为继杨振宁、李政道之后第三位获得诺贝尔奖的华裔科学家。那一年，他年仅40岁。
J粒子的发现是丁肇中物理生涯中的第二个重要实验。现在，我们都知道物质的基本构成，每个原子周围都旋转着一层层带负电的电子，这是基本粒子家族中最先被发现的成员。原子内的原子核，由质子和中子构成，再进一步解剖，组成它们的单元叫夸克，也就是说，夸克是构成自然界基本元素的最小的不可分割单元。当然，这只是目前的结论，物理学家间流行的一种说法是，粒子就像洋葱，剥掉一层之后，下面总会有另一层。
20世纪50~70年代，人类只发现了三种夸克。丁肇中觉得很奇怪，为什么没有第四种、第五种？在当时主流物理学界看来，这一想法既没意义，也很难突破。有物理学家对他说：“这三种夸克已经可以解释所有已知的现象，为什么还要找第四个，没有必要。”
从实验设计层面，要想寻找新的夸克，难度极大，对探测器的灵敏度和实验的精度都要求极高，丁肇中自己形容“相当于北京下雨时，要在每秒钟的100亿个雨滴中找到一个红色雨滴”。诺奖委员会在颁奖时也将这件事的难度描述为“在大型喷气式飞机起飞时尝试听到一只蟋蟀的叫声”。
丁肇中说：“我所做过的每一个实验，都有两个特点：学理论的人都说这个实验没有意义，学实验的人认为这么困难的实验没有人能做出来。”但他不管这些，“做你认为正确的事，不要因为大多数人的反对而改变自己的正确想法。”丁肇中说。
在几乎被所有实验室拒绝后，美国布鲁克海文国家实验室同意了他的请求。1974年，他果然发现了第四种夸克的存在，这就是J粒子，它的寿命比已知粒子长1万倍，这是一种奇特的属性。后来，第五种、第六种夸克也被陆续发现。现在，微观物质世界的基本结构清晰展现在我们眼前，这一结构非常简洁，由12种、三代基本粒子构成，其中有六种夸克，六种轻子。
和其他等待几十年才获诺奖的科学家相比，丁肇中发现J粒子两年后就获奖，被认为是“历史上最快的获奖者之一”。
对自己的获奖，丁肇中认为“兴奋蒙蔽了他们(诺奖委员会)的判断”。他始终记得费曼给他的那封信中还有一句话：“不要因为获奖，就认为自己变成专家。”这句话深远地影响了他。在“高能论坛”上，有提问者请他谈对撞机的未来，哪些领域可能产生新的发现，他说：“我不知道。”他从不谈论自己不了解的事情。
“最重要的是，一定要认为自己的能力是有上限的，要怀疑自己的能力，要时刻小心谨慎。”丁肇中说，比如要知道仪器什么时候有不正常的现象，这样就可以把这一块的数据取消掉。“假设仪器有故障而你不知道，就会得出错误的结果。”
和他共同获诺奖的伯顿·里希特认为丁肇中是“一个极其谨慎的人，对实验的所有细节都很在意”。在硬币的另一面，《自然》杂志曾评论称，丁肇中对细节的执着导向了他充满控制欲的管理风格。
5月16日，丁肇中出席中国科学院高能物理研究所“高能论坛”。图/中新“科学上的事情不能用投票解决”
凭借一次次“光辉的战绩”，丁肇中搭建起了遍及全球的影响力。到1979年，丁肇中领导的MARK-J实验在德国的PETRA正负电子对撞机上发现了胶子。
如果说基本粒子是构成物质世界的“砖头”，胶子就是“水泥”，负责“粘合”粒子，其作用是传递粒子间的相互作用。不过，与没人预料到的J粒子不同，胶子的存在早已被预测，只是被丁肇中的实验最终验证了。
此时，他已是麻省理工学院 (MIT) 物理系的终身教授。1969年加入MIT时, 他唯一的条件是“允许在任何地方做实验”。获得支持后，他得以在MIT任职的同时长期在欧洲工作。此时，他的第三个重要实验得以开展，这也是他牵头组织的第一个全球合作项目，共有中国、美国、德国、西班牙和荷兰五个国家的机构参与。1979年9月，《纽约时报》头版报道胶子的发现，文中特别提到：“27名中国科学家参加了这次实验，在核粒子的国际合作项目史上，这是第一次，也是中国的一大贡献。”
胶子的发现，开启了此后半个世纪丁肇中和中国物理学家的合作，先后有近1000名中国科学家参与了他的实验，包括唐孝威、陈和生、郑志鹏、王贻芳等人，他们回国后成为中国高能物理研究的中坚力量。这一切的起始是1977年8月，刚复出不久的邓小平对丁肇中建议，每年派10位中国科学家加入他的实验室。1978年1月起，一批批中国科学家被送了出去。1979年1月，中美正式建交，邓小平来美的“破冰”之旅中，两国正式签订《中美高能物理合作执行协议》。
王贻芳1984年从南京大学原子核物理专业毕业后，被选入丁肇中在欧洲核子研究中心(CERN)的L3实验组。此时，丁肇中的研究地点已从德国转移到瑞士日内瓦近郊，这里坐落着一个周长达27千米的正负电子对撞机(LEP)，1989年正式投入使用。运行时，能量分别达1000亿电子伏特的正、负电子相撞，对撞时的温度是太阳表面温度的4000亿倍，也是宇宙诞生最初的1000亿亿分之一秒时的温度。丁肇中团队设计了一个非常巨大的L3探测器，有六层楼高，目的是寻找宇宙中最基本的粒子，研究宇宙的起源。
从1982年~2003年，丁肇中花了20年投入到L3实验中，这是他的第四个重要实验。最后得出两个重要的实验结果：宇宙中只有三种不同的电子和六种夸克；电子和夸克都没有体积，半径都小于10-17厘米。L3实验共发表了300篇文章，有300人因此获得博士学位，但丁肇中仍觉得“相当不幸”，因为所有结果都与标准模型一致，这是他不想看到的。他说，当实验与理论一致时，我们学到的东西是有限的。只有不一致时，科学才有新的进展。
尤其令他不甘心的一点是，电子仍无法被测量。从1965年起，历经40多年，丁肇中才把电子半径的范围从10-14厘米缩小到10-17厘米，直到现在，他仍对此念念不忘。5月16日的采访中，丁肇中对《中国新闻周刊》说，这是一个很简单但却非常奇怪的现象，我们每天都在使用电，但你去测电子的体积，却永远找不到，永远比粒子的尺度要小。
L3实验中，丁肇中的国际合作团队更加庞大，共有美国、中国、苏联等19个国家的600多名科学家参与，中国的主要贡献是精密仪器制造和物理分析。王贻芳参与了L3实验中重要的物理分析工作。5月16日下午，高能所举办的一场对谈活动中，王贻芳说，MARK-J实验中，丁肇中有意把每个中国科学家分到实验的不同层面，覆盖到整个高能物理实验的各种领域方向，这也是后来北京正负电子对撞机(BEPC)建设相对顺利的原因。参与MARK -J实验的第一、二批人，日后都成为了BEPC和北京谱仪的核心骨干人员。“每个子系统的人都是从MARK-J训练出来的。”王贻芳说。
王贻芳指出，中国高能物理的发展得益于国际合作，从丁肇中领导的MARK -J实验开始，中国科学家迅速掌握了国际上最前沿的方法、技术和思想，并以最快速度融入到国际高能物理研究的大环境中。丁肇生在对谈中还强调，中国不仅要积极参与别人主导的国际合作，还要主动出击，“在什么地方合作也是非常重要的”。
5月16日上午的演讲尾声，他主动提起对撞机。他说，美国芝加哥的Tevatron正负质子对撞机周长6.3公里，发现了第六种夸克。CERN的大型强子对撞机(LHC)周长27公里，实验过程中促发了互联网的诞生，找到了希格斯粒子。美国的超导超级对撞机(SSC)周长是86公里，因为管理不善，1993年被国会终止，之后很多美国优秀的高能物理人才去了CERN，有的去了中国和日本。
“对我而言，中国高能所正在讨论的100公里环形正负电子对撞机(CEPC)是一个非常重要、超前的目标，原因很简单，对撞机的能量越高，越能发现意想不到的东西，这将会改变我们对宇宙的基本认识。”
尽管丁肇中的前辈、诺奖得主杨振宁对此持反对意见。杨振宁认为，在一个发展中国家，花费数百、上千亿元去寻找“只存在于猜想中的粒子”不是一个聪明的做法。显然，丁肇中不同意这点。
目前，为了对撞出更多希格斯粒子的CEPC仍停留在纸面上。按照初步设计方案，工程造价约400亿元人民币的第一阶段建设原本应在2022年开工，如果一切顺利，第二阶段将会升级为超级质子对撞机(SppC)，能量超过LHC的7倍。
丁肇中说，“做新的事情总有人有不同的意见，不同的意见不是坏事。永远记住，人是向前走的，你不做，别人就会做，你就只能跟在别人后面。科学上的事情不能用投票来解决，我的每一个实验都遭到很多人反对，你去做，才能站到大家的前面。”
“我拒绝你的拒绝”
“回顾你整个职业生涯，哪个实验是最重要或者说最基础的？”
2020年7月，美国物理联合会的口述历史学家大卫·齐格勒在一次采访中这样问丁肇中。他没有犹豫地回答：“20 年或40年后，如果人们回顾我所做的事情，唯一值得一提的可能就是阿尔法磁谱仪(AMS)实验。”这是他的第五个重要实验，也是耄耋之年仍全身心投入的唯一工作。
1993年，美国的超导超级对撞机(SSC)项目彻底被国会取消，这对美国高能物理界来说，是一次巨大的挫败，而对丁肇中个人，则是职业生涯的重要转折点。齐格勒问他，如果SSC顺利通过，是否他永远不会参与AMS，他说，很有可能。
为观察到更多预料不到的粒子，地面加速器必然走向更高能量。SSC失败后，丁肇中有一天在日内瓦附近的花园散步，突然想到，宇宙线的能量比地球上任何对撞机的能量都高得多，为什么不可以尝试从地面转向太空，直接探测宇宙线？宇宙最强的加速器就是宇宙本身。
1994年，丁肇中做出了一个重大决定，他选择去做AMS。“全世界能够看清这个过程的人不超过10个。”王贻芳在5月16日下午的对谈中这样说。作为丁肇中曾经的学生和长期合作伙伴，王贻芳对《中国新闻周刊》说，丁肇中在决定要做宇宙线的实验后，当时考虑了两种方案，一个是太空，一个是地面，他还研究了中国西藏地区羊八井的地面宇宙线实验。最终，他做了一个超出所有人想象的决定，就是“上天”。
王贻芳解释说，丁肇中当时认为，地面宇宙线实验有相当多困难，因为宇宙线有质量，进入地球后会被大气层吸收，地面实验无法直接测量，只能通过模型反推，不太容易得出可靠、定量的科学结论。太空虽然在技术上难度很高，但测量精度很高，所以在地面和太空间，他选择了太空。
虽然说丁肇中的每次实验都遭到了很多人的反对，但在历次反对中，AMS遇到的阻力最大，一方面是因为它的难度，丁肇中自己曾总结：“这是他做过的最复杂、技术上最具挑战性的实验。”另一方面是因为他过于大胆的实验构想：将磁谱仪送入太空，在丁肇中之前，从没有人敢这么想过。
为了“上天”，丁肇中设计了全新的实验方案，首先，实验目标是精确测量宇宙线上的电荷、质量和动量。办法是将一个磁谱仪，也就是磁铁送入国际空间站，带电粒子穿越磁谱仪后，其质量和电荷的轨迹受磁场影响会发生弯曲。
但一个绕不开的难题是磁谱仪送入太空后，会受到地球磁场的影响发生偏转，就好像天上有一个大号指南针，“一头指北，一头指南，这也是多少年来大家都想把磁谱仪放到天上却没有成功的原因。”“高能论坛”的演讲中，丁肇中解释道。
为了让磁谱仪在天上不转，丁肇中团队在磁铁的设计上独辟蹊径：在上部有一个顺时针的磁场，下部是逆时针磁场，组合起来，从外部来看，磁场消失了，这就是永磁体。作为AMS实验中的最核心设备，永磁体由中国科学院电工研究所、高能所和中国运载火箭技术研究院在北京设计、研制并进行模拟测试。
AMS是第一个发射到太空中的磁谱仪，也是目前太空运行的最强大、最灵敏的粒子物理探测器，它的终极目标是寻找暗物质和反物质宇宙，如果成功，它将真正揭开宇宙的起源之谜。
1995年4月，AMS的第一次飞行实验获NASA批准。1998年6月，美国“发现号”航天飞机载着AMS-01在太空中飞行了10天，成功收集了100小时数据。这只是一次飞行实验，但证明了在太空探测高能粒子的可行性。
2003年“哥伦比亚号”飞机失事后，美国宇航局(NASA)决定将重点转向火星探测。2005年，AMS的发射计划被从航天飞机的任务清单上删除，但丁肇中没有放弃这一计划。据参与过L3实验的CERN物理学家大卫·斯蒂克兰德回忆，丁肇中有一次要求美国能源部升级LEP的实验，提议被拒绝了，“丁肇中站起来说，我拒绝你的拒绝”。
丁肇中一边让分布在世界各地的合作机构继续建造AMS组件，另一边在华盛顿市中心的五月花酒店长期租下一个房间，作为他的“游说办公室”。他邀请众多议员进入房间，当着他们的面，他打开布满了文件和图表的笔记本，用做好的PPT陈述AMS的重大意义。2005年，在参议院委员会面前，他同样用五分钟和九张透明胶片说服了在场的很多议员。
王贻芳对《中国新闻周刊》说，丁肇中的口才很出众，他讲的内容从不人云亦云，有时候非常出人意料。而且他经常能以通俗易懂的方式把一个复杂的科学问题解释清楚，让人们对此没有疑问。“尤其在给政府官员做报告时，他说服美国能源部、NASA的能力是很罕见的。”
2007年，在丁肇中的请求下，美国能源部组织了一次评审会。“我要求必须找世界上第一流的科学家来评审，比如诺贝尔奖获得者、国家科学院院士或顶尖的航天工程师，和我面对面讨论，因为一流的科学家可以向前看，对未来有感知。一般的科学家第一反应则是钱给你了，我怎么办。不出我所料，评审会上，参与的很多人和我有过竞争，但最后都同意做AMS。”丁肇中在“高能论坛”的演讲中回忆。
2008年，按照估算，全世界投在AMS上的钱已达到了15亿美元。丁肇中在五月花酒店的房间内接待了《自然》杂志的记者并对他说：“目前除了这件事(AMS)，其他什么我都不做，我对项目出现的所有问题负责。”之后，《自然》讲述了丁肇中与AMS的故事，标题叫《丁肇中的最后一搏》，这一年，他72岁。
2008年6月18日，美国国会一致通过了H.R. 6063法案，要求NASA“增加一个额外的航班，将AMS-02运送到国际空间站”。AMS-02起飞前几天，丁肇中要求发射台里所有工作人员都离他远一点，他独自想了好几个钟头，回忆过去16年里的每一个重要决定，有没有错误的决定，有没有值得怀疑的地方，如果不能肯定万无一失，就不能让它起飞。2011年5月16日，一架航天飞机载着AMS-02正式升空。
12年后，丁肇中在“高能论坛”上回忆起这段过往，他指出，暗物质是宇宙的主体，占到宇宙总重量的90%以上，但人类还观测不到。在AMS运行的12年中，我们已经获得了390万数据，能量范围从1~1万亿电子伏特，实验精确度是1%，数据误差非常小，而观测到的高能量正电子能量分布与暗物质理论“基本符合”，“但还不能说100%找到了暗物质”。
他对《中国新闻周刊》解释说，暗物质有很多理论，一种理论假设暗物质是重质量粒子，实验结果目前和这一理论相符，但基于数据的误差，并不能排除所有其他理论，未来需要更多的数据去确定暗物质的存在。因此，AMS正在升级，计划将数据的接收度增加300%，“再过十年之后，应该可以排除绝大多数理论”。
王贻芳推测，如果AMS真的发现了暗物质，就意味着超出标准模型之外的新物理诞生，至于暗物质是否是以粒子的形式存在，这只是一种可能性。
由于国际空间站的退役时间从2024年延迟到2030年，AMS-02也将继续工作到2030年。这也意味着，至少到2030年之前，丁肇中还无法退休。他的妻子苏珊告诉《中国新闻周刊》，丁现在常驻日内瓦的AMS办公室，隔几周回一次MIT，从新冠大流行至今，他延续了每天和全球各地的同事在Zoom上持续数小时开会的习惯，以审查实验的方方面面。“你不能想当然。十年没出问题，不代表明天就不会出问题。”丁肇中接受齐格勒采访时说。
“所以，现在每天你都在为可能出现的问题做准备？”齐格勒问。
“是的。”
《中国新闻周刊》2023年第19期
声明：刊用《中国新闻周刊》稿件务经书面授权
翻译
搜索
复制
