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87岁丁肇中:科学就是多数服从少数

发布时间:  浏览: 次  作者:作者:刘阳禾

  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

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【编辑:刘阳禾】

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