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1、寻找宇宙中的基本粒子 丁肇中，世界闻名美籍华裔试验物理学家。1956年丁肇中入美国密执安高校学习，1960年获硕士学位，1962年获博士学位。19631964年在欧洲核探讨中心工作，19641967年在美国哥伦比亚高校工作。1967年起任美国麻省理工学院物理系教授，11017年当选为美国科学院院士。丁肇中主要从事高能试验物理、粒子物理、量子电动力学、辐射与物质的相互作用等方面的探讨。他最杰出的贡献是在11014年，与里希特各自独立地发觉了J/粒子。为此，他们共同获得了11016年诺贝尔物理学奖。 如何找寻宇宙中最基本的粒子呢？我用四个故事向大家介绍一下，这些故事是我在过去的30年里所亲自经验的
2、。 第一个故事是测量电子的半径。现代电磁学的理论认为电子的半径为零。1964年，美国麻省理工学院和哈佛高校建立了一个当时最大的加速器，这个加速器周长为1010英尺。当时来自哈佛高校和康乃尔高校的世界上很出名的专家，在这个加速器里做一个很重要的试验，试验结果同时证明量子电动力学是错误的，电子是有半径的。这是一个特别重要的试验。1966年，我在德国用不同的方法重新做了这个试验，结果发觉电子的半径的确小到不行测量，电子是没有半径的。试验的结果和理论的预期的比值等于1，等于1即是说电子的半径等于零，也就是说以前很多专家所做的试验结果是错误的，所以我的第一个体会是不要盲目从专家的结论。 其次个故事是关于
3、新粒子家族的发觉。到了20世纪73年头，全部已经知道的基本粒子都可归结为由三种夸克组成，全部的现象都可以用三种夸克来说明。我就问为什么宇宙中只有三种夸克？为了找寻新夸克，我确定建立一个高灵敏度的探测器，它的灵敏度要达到新夸克/已知夸克=1/101亿。何谓灵敏度是一一百零一零一亿分之一呢？南京下雨的时候，也许每秒钟有101亿个雨滴，其中有一个是蓝的，要把它找到。但这个试验不受物理界的欢迎。第一，当时的全部物理现象都可以用三种夸克来说明，所以人们不须要第四种夸克。其次，没有人信任这样困难的试验可以做成，因此这个试验几乎被当时全部的加速器试验室拒绝了。后来，最终在美国的布鲁克海文国家试验室用AGS做
4、了这个试验。我们发觉了一种很新的粒子，完全想象不到的一种粒子。这种粒子在正电子负电子质心系能量到达31亿电子伏特的时候，突然就产生一个很高的峰。依据以前全部的理论，这个峰是不应当存在的。说明找到了一种粒子，这是J粒子。所以我们完成了布鲁克海文国家试验室的试验以后，发觉了一种全新的夸克。这种新粒子有很特殊的性质：第一，它们质量比其他全部已知的粒子都重；其次，它的寿命比其他全部已知粒子的寿命长1010倍。这种长寿命的重粒子可能是新的夸克家族成员，所以，以前的人认为只有三种夸克的看法是错误的。当然，有了这第四种夸克，你就可以问有没有第五种、第六种至今为止，已发觉了六种。因此我的其次个体会是恒久要对自
5、己有信念，做你自己认为正确的事，别人反对是别人的事。 第三个故事是关于11019年胶子的发觉。大家都知道在原子里有电子和原子核，电子和原子核之间的力由光子传送。在质子里有不同的夸克，夸克之间的力在理论上来说是由胶子传递。那时我们正在德国用正电子负电子对撞机做一个量子电动力学的试验。在做这个试验的时候，则可以产生夸克、反夸克和胶子，假如这样的话就会出现三个喷注的现象。果真，当正负电子对撞的时候，当胶子能量很小的时候，只有两个喷注；当胶子的能量增大的时候，就会出现三个喷注现象。三个喷注现象的存在就表示胶子是存在的。当年，美国物理学会对这个事例作了具体介绍。虽然最初这套试验仪器并非为这个试验设计的，
6、但却获得了意外的结果。所以第三个体会就是对意料之外的现象要有充分的打算。 第四个故事就是找寻反物质的宇宙。这在国际空间站上叫做AMS。反物质的存在，是由狄拉克在理论上推导出的，他因此在1933年12月12日获得诺贝尔奖。他留意到，相对论的公式和量子电动力学的公式中，质量是乘平方的，也就是说等于mm，也等于。狄拉克问“-m”是什么意思？从这儿就推导出反物质的理论，这也表示拿诺贝尔奖是很简单的。因为现在我们从试验上知道，全部的粒子有反粒子，我所要问的是另一个问题，大家都知道，宇宙是大爆炸形成的，在大爆炸的理论中，宇宙起源时的温度特别高，因为大爆炸以前什么都没有，因此大爆炸中有一个电子则应当有一个反
7、电子，有一个夸克也应当有一个反夸克，所以在刚爆炸的时候，物质和反物质应当是一样多。问题是经过150亿年之后，由反物质组成的宇宙在什么地方。我们知道在宇宙中有氦原子、有碳原子在太空中漂行，那么有没有反物质所组成的宇宙也产生反氦原子和反碳原子呢？所以，我们从试验上须要知道的是由反物质组成的宇宙在何处。假设它存在的话，我们应当在太空中找到反氦原子、反碳原子。反氦原子、反碳原子不能在地面上找到，因为在穿过大气的时候，它们会被湮灭掉。因为原子和反原子有相反的电荷，所以找寻原子和反原子必需用磁铁来测量在磁场内的轨道，正的向一个方向偏转，负的向另一个方向偏转。在太空中探测它们这就是我现在所做试验的目标，这个
8、试验称为AMS，它是空间站上唯一的物理试验。过去四十年中，经过观测紫外线，X射线，射线而发觉了很多重要的天文现象。但在宇宙中除了光子之外，还有带电的粒子。然而至今还没有一个精密的磁谱仪在太空中观测带电粒子，其主要缘由在于无法将超导磁铁放到太空中运行。第一期AMS于19101年6月搭载美国航天飞机在太空中运行了10天，观测到一些过去没有的现象，这是人类第一次测量这些东西，所以觉得现在的结果很惊奇，可能过了三五年，对这种现象了解以后，就会觉得很自然了，这是我最简洁的说明。美国航空航天局确定在2003年5月再次将AMS放射升空，AMS将作为第一个科学试验搭载安装在空间站上。AMS原结构中用的中国制造
9、的永久磁铁改为超导磁铁，大幅度提高AMS探测实力，在太空中长时间运行并采集更多的数据。超导磁铁用于太空是高技术发展的一个范例，不多久前还认为是不行能的。我们的超导磁铁是在英国和瑞士制造的，能在空间站上工作三年。AMS探测器还包括若干子探测器，它们能够在太空中精确测量光子、正负电子、正反质子、碳原子核和反碳原子核，氦原子核和反氦原子核等。到了2003年晚上，天晴的话，可以看到这个空间站，因为它特别大，可以看到它像星星一样转，到那时你会记住上面有一个AMS的试验。它要解决两个问题，一是宇宙如起源于大爆炸，一半的宇宙是正物质组成，另一半的宇宙是反物质组成，那么反物质所组成的宇宙在什么地方？其次个问题
10、是90%的宇宙是视察不到的，它是由暗物质组成的，暗物质是什么？这些都是理论，试验究竟会发觉什么呢？这是AMS试验要回答的。 现在向大家介绍一下在过去50年内加速器的发展。最早的加速器是袁家骝教授所用的布鲁克海文国家试验室的加速器，至今快50年了，原定的目标是做质子相互作用试验，袁先生做了特别重要的贡献。除了这以外，更重要的是发觉两种中微子。美国费米国家试验室在芝加哥，原来是做中微子物理试验，却发觉了第五种、第六种夸克。斯坦福直线加速器原来是做电子质子弹性散射和量子电动力学试验，结果发觉的是部分子和第三种轻子。日内瓦的ISR质子对撞机，原目标是找Z和W，结果发觉是质子总反应截面的增加。所以要做加速器，先找理论物理学家帮你写一个目标。依据过去50年的阅历，原来的目标和试验发觉完全是两回事情。因为这是最先进的科学，是没有方法预见的。所以最终一个体会就是，要实现一个目标，最重要的是要有新奇心。对自己做的事情感爱好，要勤奋地工作！ 第6页 共6页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页