诺贝尔物理学奖得主丁肇中和他的五个实验

2023年5月16日到5月23日，一周的时间里，87岁的诺贝尔物理学奖得主丁肇中先生从北京到广州，从中科院高能物理所的高能论坛到大湾区科学论坛，活动安排虽不算密集，但舟车劳顿于他的年龄来说仍称得上是一次考验。

本周，《面对面》栏目赴广州专访丁肇中先生。

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采访前，我们了解到两个信息，一个是他将在采访结束后马上出发，前往中微子实验室去考察，另一个是他在整个行程中，每天都会在固定的时间里和远在瑞士的团队通电话，讨论正在进行的实验。

实验是干什么的？有什么用？

丁肇中长期从事高能物理实验，这意味着，能和他讨论专业问题，或者仅仅向他提出专业问题的人都是极少数的。

记者：有没有人问您实验是干什么的？有什么用？有什么用这个问题是不是反复被人问过？

丁肇中：常常有人问这个问题。比方说20世纪30年代的时候我们研究的是原子物理或者量子力学，那个时候就有人问做这个干什么？这完全是抽象的，现在用在量子计算机上用在通信上，完全是那个时候的基本物理。在1900年左右最主要的一个发现是X光，当时也有人问做X光干什么？现在用在医学上用在各种不同研究上。20世纪50年代的时候，最先进的科学就是原子核物理，那时候也有人问这有什么用处？花这么多钱研究这个干什么？现在用在能源上。从发现到应用可能有30年到50年的时间，到能应用的时候就改变人的整个知识，问这个问题是很自然的现象，可是要想清楚一点，人要研究这个主要是因为好奇心，有的结果改变人的整个人生。

“教授大小对我来说没有意义，做实验物理不要盲从专家的结论”

近些年，丁肇中在不同场合分享体会时，都用了大致相同的文本结构，那就是五次重要的实验和每个实验带给他的领悟，他从他第一个重要实验中得到的领悟是“做实验物理不要盲从专家的结论”。

记者：您做的第一个重要实验就是电子到底有没有半径，当时是很权威的教授做出来的实验？

丁肇中：对，两个学校。

记者：您当时博士毕业没多久，怎么就可以去质疑这么大的教授做出来的实验呢？

丁肇中：大教授和小教授对我来说是没有意义的。我就觉得量子力学、量子电动力学是很完整的科学，因为以前很多人检查过这个都是对的，推测都是对的，忽然两个实验说它是错的，所以我就觉得很奇怪，我就想一个办法检查一下。

做实验需要钱，需要实验室。在美国，丁肇中没有找到愿意和他合作的实验室。1965年，他放弃了在美国大学的前程，到德国新建的电子同步加速器研究所，重做了正负电子对实验。八个月后，他的实验证明：量子电动力学是正确的，电子没有体积。

记者：您当时做出来这个说是推翻有名大学有名教授的实验，您去哪说去，您一个小人物去推翻人家大人物，怎么去推翻人家？

丁肇中：我现在忘了是哪一月了，国际高能物理每两年有一个会，德国国家研究室主任就写了封信，说我们要来，我们有结果要向大家公布，所以就带我去了。那时候根本没有计算机，稿子是从德国到美国加州的飞机上写的。第一个报告可能是哈佛大学的，第二个报告可能是康奈尔大学，两个都证明电子有半径，组织会议的人就说现在没有时间了，不过我给你10分钟。

记者：给了他们多少时间？

丁肇中：大概一个钟头左右。10分钟我就简单地介绍了一下，这个实验怎么做的？怎么样校对？怎么样检查？

记者：能够说服别人吗？

丁肇中：不知道，大概别人都相信了吧。

记者：这个实验给您奠定了一个什么基础？

丁肇中：慢慢有人知道我是谁了，慢慢开始有人支持我了。

“不要因为大多数人反对而改变你的兴趣”

20世纪70年代，丁肇中从事有关光子和重光子的一系列实验。这些实验“不受物理界的欢迎”：在理论物理学家眼中，寻找高质量的重光子物理意义不大；在实验物理学家心中，没有人能完成如此困难的实验。

丁肇中：要从正负电信号中找重光子需要极高的背景分辨率，就相当于广州下雨的时候，每秒钟有100亿个椅子中间有一个是红的，你要把这个红的找出来，所以必须发展全新、非常精确、非常强的放射线下，能正常工作的全部新仪器，这个实验不受物理界的欢迎。

在这个理论物理学家和实验物理学家都不看好的实验中，藏着一顶诺贝尔物理学奖的桂冠，但要戴上这顶桂冠，丁肇中首先要做的，仍然是找到愿意和他合作的实验室。

美国布鲁克海文国家实验室接受了丁肇中的实验计划。1974年，这项实验让丁肇中找到第四种夸克——J粒子，这一发现推翻了过去认为世界只由三种夸克组成的理论，为人类认识微观世界开辟了一个新的境界。

丁肇中：所以第二个体会，做基础研究要对自己有信心，做你认为是正确的事情，自然科学的发展是多数服从少数，少数人把多数人的观念推翻了以后才能向前走，千万不要因为大多数人反对而改变你的兴趣。

1976年，丁肇中因此获得诺贝尔物理学奖，领奖时，他坚持使用中文演说，成为诺贝尔奖历史上第一个使用中文作获奖致辞的人。

“当实验和理论不符合的时候，你才可以学到新的东西”

1979年，丁肇中学术生涯的第三个重要实验，带给他的启示是“作为一名实验科学家，对意料之外的现象要有充分的准备”。这项实验原本的目标是继续寻找电子的半径，结果却意外发现了胶子。

1979年9月2日，美国《纽约时报》在头版上报道了新的发现，报道中特意提到“27名中国科学家参加了这个实验”。这是改革开放后，中国科学家第一次参与国际合作，这批科学家中很多来自中科院高能物理所。这之后，丁肇中领导的L3实验开始，包括中国在内的19个国家、600多名科学家参与其中。

L3实验在欧洲核子中心进行，这项实验耗费了丁肇中20年的时间，实验发现，在现在的能量范围内，宇宙中有三种不同的电子、三种不同的中微子和六种不同的夸克。电子和夸克是没有体积的。

L3实验带给丁肇中的启发：组织国际活动，要选择科学上最重要的题目，以引起参加国的兴趣。贡献大的国家要有优先的认可，这才能得到参加国政府的长期优先支持。但追根溯源，他仍将国际合作之所以成功，归因于人们对物理的兴趣。

丁肇中：国际组织很大、很多的国家，可是我并没有权力控制他们的经费，也没有这个能力，所以他们愿意做这个事情，因为他们对这个物理有兴趣。

把不可能变为可能

从1994年开始，即将60岁的丁肇中启动了他物理生涯中第五个重要的实验。他想要把磁谱仪放到太空中，寻找反物质、暗物质和宇宙线的秘密。

丁肇中：很多人说这是不可能的实验，人类不可能把磁铁放到天上。因为磁铁放到天上，就像中国人用的指南针一样，一头会向北一头会向南，所以很快航天飞机或空间站就失去控制了，所以这是绝对不可能的。

记者：谁说的？

丁肇中：很多人说，这是很普通的现象，结果我们做了磁铁，让它不转。

多个国家的通力合作，造就了AMS，也就是阿尔法磁谱仪。1998年，“发现号”航天飞机载着AMS-01飞行10天，收集了100小时的数据，证明了太空探测高能粒子的可行性和优越性。丁肇中开始着手阿尔法磁谱仪AMS-02的宏伟计划：耗资20亿美元，由16个国家60个研究机构600位科学家共同参与，使用强大的超导磁铁，安装7个精密探测器，通过航天飞机安装到刚刚兴建的国际空间站上。

2011年5月16日，美国“奋进”号航天飞机携带着中国参与制造的阿尔法磁谱仪，从佛罗里达州肯尼迪航天中心发射升空。当阿尔法磁谱仪启动时，瀑布般的数据流瞬时传到欧洲核子研究中心。就是这些数据决定了丁肇中近20年的工作状态：时时刻刻关注着太空上的阿尔法磁谱仪。

记者：今天早晨您是几点起来的？

丁肇中：7点多钟。因为阿尔法磁谱仪在国际空间站上，绕着地球，每93分钟绕地球一次，速度很快，每一小时都不一样，所以每小时、每分钟都得有人看着，反应是什么？跟所有的人达成了协议，有任何重要的事情一定得告诉我，所以我最初没有了解，到了太空以后没有星期六、星期天，没有新年，没有圣诞节，随时随地都在假想，什么地方可能有错误？什么地方有误差？假使你知道的话，你可以把它处理一下，某一个仪器有错误你不知道那你结果就错了。

记者：这个阿尔法磁谱仪如果说从2011年开始算起，在空间站开始工作的话？

丁肇中：今年差不多正好是12年。

记者：这12年每天、每小时、每分钟都在回收着很多数据。对您来说，您是时时刻刻都在关注着它，还是就像您所说的遇到什么重要的事情您才关注。

丁肇中：时时刻刻关注。

记者：您说基础性研究要真的所谓的有用恐怕得三五十年，我们就从2011年开始算起，这个实验到了天上开始算起的话可能要做很久才能有结果，您就算活到120岁，也得有告别这个世界的那一天，您可能看不到结果了，那您觉得遗憾吗？

丁肇中：一点都不遗憾，比方说现在假使要到火星上去或者到月球上去，人一离开大气层以后，离开地球磁场以后，有很多的宇宙线。以前对宇宙线的测量是很简单的，结果我目前的发现宇宙线每小时、每天、每年都有很大变化，要是载人到火星上去长住，必须了解宇宙线是什么？这就是现在就可以用的知识。

记者：这是您回答外界给您提出来的“有什么用”一个最有说服力的回复？

丁肇中：我不需要说服力。

“所谓失败就是你结果是错的”

丁肇中：就我来说我的实验是我最重要的事情。我女儿和我儿子常常问我，整天白天晚上都在实验室里，我说因为我对这个很有兴趣。

记者：您这一辈子做实验没有失败过？

丁肇中：到现在还没有，不代表明天不会失败，不代表后天不会失败。

记者：失败意味着什么？

丁肇中：所谓失败就是你结果是错的。我跟我们所有同事一直说，我们的实验花了20年的时间，花了不少的经费和人力，大概今后二三十年不可能有人再做这样的实验，所以一定要做对。因为没有人可以直接验证我，一定影响物理的发展，所以有很多的结果到现在为止还没有发表，没有发表的原因就是我有怀疑，不是怀疑就是说觉得应该再仔细查一查。

“一个科学家要打破古人的观念，才能向前走”

从1977年开始，一直有中国科学家参与丁肇中的实验项目。在某次接受媒体采访时，他说他最看重的是科学家的想象力。

记者：您帮着中国培养一些物理学家？

丁肇中：不能说帮助中国，因为中国占世界人口1/5，一定有很好的科学家。

记者：事实证明是不是这样？

丁肇中：是。

记者：您刚才说最不一样的就是有想象力？

丁肇中：有想象力，不是普通的想象力，有和别人不同的想象力。

记者：它从哪儿来？这个东西我如果想培养的话，能培养出来吗？

丁肇中：对我个人来说可能我认识不少科学家，可能选择好的父母是很重要的原因，别的我就不知道了。

记者：读书能不能激发出自己的潜力来，想象力的潜力？

丁肇中：物理的进展是要打破前人书上的观念，我从很小的时候就和我父亲有不同的意见，我父亲常常说古圣先贤，这当然是非常重要的事情，可是从一个科学家来说，你要打破古人的观念，才能向前走。

记者：我只能说，一方面您是谦虚了；另外一方面真的羡慕您，您选择了一对好父母。谢谢您，祝您今天的科学之旅，很愉快，很顺利！

5月23日，完成《面对面》采访之后不久，丁肇中一行出现在位于地下700米深的江门中微子实验室，这是他此次中国之行的最后一站。即将在这里展开的实验，是人类在好奇心的驱动下，探究宇宙未解之谜的又一次努力，是基础研究和人类知识的再一次拓展。