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在探索中——一个物理学家的体验
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在探索中

——一个物理学家的体验

丁肇中

编者按:这是丁肇中教授应本刊要求特地从德国寄来的文章。丁肇中教授于1974年因发现J粒子曾荣获1976年度的诺贝尔科学奖金,当时40岁。目前有好几位中国青年科学工作者在丁肇中教授身边学习和工作,倍受他的热情关怀和精心培养。

攻城不怕坚,攻书莫畏难。

科学有险阻,苦战能过关。

让我这样年纪的人现在来写一份传记是件很困难的事。由于对科学研究事业的兴趣,我还准备把我的工作长期继续下去。在这里,我所能做的仅仅是以我个人的经验为中国的青年学生提供一些借鉴和参考。

在进一步叙述之前,我想简要地介绍一下我的家庭环境。1936年,我出生在美国。在我出生3个月的时候,回到了中国。由于当时中国的境况,我一直是一个难民,不断地从一个地方逃到另一个地方。当然,那时候我没有可能得到任何的正规教育。仅仅由于我的父母都是大学教授,我们才得以有足够的饭吃并且总是可以找到适当的住所,但没有正规的教育、体育运动和任何娱乐。然而,幸运的是我可以见到许多来我们家拜访我父母的有才华的学者。从物质条件来说,我的童年也许不像今天北京的儿童们那么幸运。

我12岁的时候,在台湾开始接受正规教育。那正是在台湾刚刚从50年的日本统治后归还中国的时候。日本人留下了非常严格和有规律的教育制度。学生在学校里最重要的就是成为一名出类拔革的学生。我在台中生活了1年,然后随家搬到台北。在那里,我通过考试进入了台北最好的高中。这个学校是按照学生的能力和程度编班的。我被编到了最好的班级。尤其是,这个学校在几何、中国历史、英文和化学学科方面有很出色的教师。在我念高中的时候,我最感兴趣的是中国历史,其次是化学和物理。但我很快就意识到,在历史学中去寻求真理比在自然科学中寻求真理要困难得多。也许是由于我12岁以前没有机会受到教育的缘故,我对中国文学、英文和其他诸如此类的课程感到极大的困难。自然我不是这些学科上最优秀的学生,然而我记得在物理和化学的学习中,我花费了大量的时间,对这些课程有了比较深入的理解(也许比其他的学生更深入一些)。

1956年,我高中毕业后回到了美国。那时候,我几乎没有多少英文知识。在密西根大学里,第一年我作为工学院的学生学习一年级学生的通常课程。对我来说,那是非常艰难的一年,我不仅不懂当地语言,而且几乎没有钱养活自己。我只有刻苦学习始终保持优等生的地位,用获得的奖学金来继续我的学习。在我上二年级的时候,我请求学校允许我多学一些研究院的数学、物理和物理化学课程。学校通知我说,如要这样,我必须离开工学院转到物理系去。于是,我离开了工学院。在6年之内我取得了物理和数学的学位并且获得了物理学博士学位。一直到现在,这个学校还仅有极个别的学生在这么短的时间内通过这些学位。在学校里我的考试成绩是相当好的。更重要的是,在大学期间我有机会缜密地研讨了整个物理学,并且突破书本描述的局限去理解物理现象。对于确实不理解的事物,提出问题而不含糊回避。尽管有英文表达上的很大障碍,但我仍然比其他同学问的问题多。我认为,作为一个科学家,最重要的是不断探寻在教科书之外的事,对该学科有更深入一层的理解,有能力去独立地思考各种物理现象的本质,面对占压倒优势的反对意见,毫不胆怯地迎接挑战。

在获得了物理学博士学位以后,许多学校和科学研究部门向我提供了各种职位,一些职位附有优厚的薪金,另一些职位具有比较重要的地位。而我选择了一个可以使我进一步从事研究的工作,那是在瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心,同其他职位相比,它只有1/3的薪金并且任职期只有一年。但我还是选择了这个职位,因为我渴望能够和欧洲核子研究中心的可可尼教授一起工作。他是一个有非凡能力的物理学家,在选择物理学研究课题方面具有特别敏锐的洞察力。他能够以一种清晰和简明的方式阐述复杂的问题。一年以后,我到哥伦比亚大学物理系担任讲师。当时,哥伦比亚大学是从事物理学研究的最好的学校。这所大学有相当多的知名的和有才华的物理学家以及荣获诺贝尔奖金的学者,他们都对物理有极大的兴趣和独特的见解。在欧洲核子研究中心的一年和哥伦比亚大学的两年,对我后来的工作有极大的影响。

在哥伦比亚大学的第二年,哈佛大学做了一个实验,宣称首次观察到了与量子电动力学预言相违背的实验现象,这个实验随后又被康奈尔大学的一个实验组再次验证了。但是我曾经对量子电动力学理论的完美性及其有关的实验技术的复杂性有深刻的印象。在开始研究这个课题几个月以后,我决定做这个实验。哥伦比亚大学里老资格的同事们、特别是莱德曼教授(他现在是美国费米国家实验室的负责人),都对我完成这个实验的能力表示怀疑。因为在这个领域里我没有经验并且缺乏物质支持。莱德曼教授指出在这个领域工作过的人都拥有庞大的实验组和雄厚的物质来源,这种实验他们已做了很多年,因此,他们已是专家了,而我从没有在这个课题上工作过。不过,他还是友好地允许我能有两年的时间去实现我的想法。当然,当我在8个月内完成了这个实验并且揭示出量子电动力学的正确性的时候,他和其他的人们是非常高兴和惊讶的。这个实验也成为我的同事们(贝克教授、陈敏教授、布格博士等)和我自己所从事一系列实验的基础,这些实验用以系统地研究光子的特性和寻找重光子类粒子。这些研究导致了对核子内部的光的特性和原子内部的电磁特性的更深刻的理解。

1972年,我感到很可能存在许多有光的特性而又有比较重的质量的粒子,然而,理论上并没有预言这些粒子的存在。我直观上感到没有任何理由认为重光子一定要比质子的质量轻。为了研究更重的光子,我们在布鲁海文国家实验室的高能加速器上设计了一个实验。在设计过程中,特别是在实验进行的时候,我遇到了更多的困难。困难的主要原因是因为我们设计了一个探测器,它具有极精细的质量分辨能力,回此可以用来寻找长寿命的粒子。这个探测器技术复杂而且造价昂贵。而人们的经验和当时的理论的预言都认为如果有质量大于质子的重光子的存在的话,它们的寿命应该是很短的,并且只需要一个简单的探测器。此外,这类实验我以前的老同事莱德曼教授也做过,而他没有发现任何新奇的东西。在极大多数情况下,我做实验是基于我对事物的理解而不是基于理论上的争论。所以,我决定不顾多数的反对而去实现这个实验。

在实验开始以后,我们很快发现一个几乎同样的计划已经交给在欧洲核子研究中心的一个不同的探测器。由于我们极其认真地进行了实验设计,并以更充沛的精力去进行我们的研究,同时得到了布鲁海文实验室的全力支持,所以我们能比欧洲核子研究中心的那个实验组早好几年宣布了J粒子的发现。J粒子和许多共同具有不同寻常的长寿命和重质量的类似的粒子的相继发现,表明人们对基本粒子的内部物理结构还不清楚,改变了人们对物质内部结构的认识。现在,物理学家们意识到一定还有更多的新粒子存在,并且开始了一个世界范围内的对新粒子的寻找。

近些年来,我与优秀的年青的中国物理学家们在一起工作。我们共同从事着两项研究:1,除了胶子的工作以外,继续寻找新的粒子;2,也许更重要的是用实验的方法去寻找自然界中四种力的统一(万有引力、电磁力、核力和弱力)。寻求对自然界的各种力的统一理论是科学家们多年来梦寐以求的愿望。这可以追溯到几千年前希腊和中国的哲学家们,直到更现代的科学家们,如爱因斯坦和麦克斯韦。我们试图做的实验是去争取发现弱力和电磁力之间的耦合作用。依照我们现在的理解,这一目标很可能在近几年内达到。

总结我作为一个物理学家的经验,我认为以下四点是相当重要的:

第一,我总是选择我对之感兴趣的课题,并且力图去彻底地理解它。

第二,不论反对意见是多么不可一世,我始终坚持对我的科学观点的探求。

第三,我不断地对我自己的实验结果和能力表示疑问,为此,我总是反复检查自己的工作,这样,我们到现在为止实验结果还没有出过错误。

第四,我常常意识到我的能力是相当有限的,只有刻苦地工作,我才有可能在某个特定的领域中取得优异的成绩和做出贡献。

中国是一个具有悠久历史和有过影响深远的科学发现的国家。我相信随着稳定、对科学事业的不断鼓励和支持,在未来的年代里,中国必将会对科学作出许多十分重大的贡献。

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