【丁肇中获颁诺贝尔物理奖40週年专题】丁院士研究的历史意义

  • 阅读(551)
  • 点赞(684)
  • 收藏(233)
  • 日期(2020-06-12)
【丁肇中獲頒諾貝爾物理獎40週年專題】丁院士研究的歷史意義 【丁肇中获颁诺贝尔物理奖40週年专题】丁院士研究的历史意义

照片为丁院士提供,请勿任意转载。

丁肇中院士从事粒子物理研究近 60 年,进行多项重要的实验,获得空前的成果,也得到了诺贝尔奖的肯定。在粒子物理领域里,他数度开创新局,做出前人无法想像的发现。对物理的贡献,已经成为一个传奇。他的研究方法与对问题的取材,影响深远,隐隐形成一个流派。丁院士物理研究的历史价值,至少可以从以下三方面来看:

对物理的影响

丁院士获得诺贝尔奖的工作,是发现了 J 粒子。这个发现对后续粒子物理的进展有划时代的影响,被称为粒子物理的 November Revolution (十一月革命)。会被称为「革命」,就在于这个发现造成多方面的突破,形塑了现代的基本粒子理论。在 J 粒子发现之前,粒子物理正处于一个相对混乱的时刻。当时夸克理论和电弱作用理论已被提出,成功地解释了许多现象。但是,很多人并不认同夸克是一个实体存在的粒子,而夸克只有三种的想法深植人心。电弱作用理论则仍有缺陷,跟某些实验结果有重大的出入。另外,强作用力的理论(量子色动力学)也已经存在,却没有一个好的系统可以验证其预测。

1974 年 11 月 J 粒子的发现,一举解决了这些问题。其后一年内,夸克模型完全被大家接受,也了解到 J 粒子是由第四种夸克所组成。大家扬弃只有三种夸克的想法,转而接受夸克有两个家族、每个家族包含两种夸克的电弱作用理论。在其后 20 年间,又发现了第五和第六种夸克的第三个夸克家族。第四种夸克的存在也让电弱作用的缺陷不再存在,可以完整解释所有已知的实验结果。另外,J 粒子提供了一个可以验证量子色动力学的环境。这些改变,很快的让物理学家接受了基于夸克理论、电弱作用、量子色动力学的「标準模型」。这个模型一直到现在仍然是粒子物理的基本理论。从这里可以看出,J 粒子的发现,让基本粒子理论的各个片段得以统合在一起,称为「革命」实不为过。

丁院士早期进行量子电动力学的研究,证实了该理论在高能作用下的正确性,打破前人的错误结论。J 粒子实验之后,他进行正负电子对撞的 Mark-J 实验,发现「三喷流」的现象,从而首次观测到量子色动力学理论中的关键成员「胶子」之证据。在 1980 年代后期到 2000 年间,丁院士进行 L3 实验,研究标準模型的各种性质,并证明微中子只有三种。1990 年代后期,他开始设计 AMS 实验,研究宇宙中的暗物质与反物质。这个实验突破种种困难,首次将大型粒子物理探测器放到太空中进行宇宙射线的观测。AMS 现在正在进行中,我们期待重要的物理结果。

综观丁院士的各项物理成果,一概都是在解决当时物理界最基本的问题,他的成果往往带来革命性的影响。对物理发展有伟大的贡献。

对研究方法的影响

丁院士在研究方法上有他独树一格的风格。他重视仪器的精确度,不论原先设定的实验目标为何,一概要求仪器达到最高的精确度,并在实验过程中反覆校正。正因为如此,他才能发现无法预期的新现象,从而获得重要的成果。他曾经说过,仪器的进步,是带动物理进步的关键。这个态度,对现代的高能实验造成很大的影响。

他的实验设计,造成许多实验方法概念上的进展。例如,他在对撞实验中,重视电子、缈子与光子的精确测量,设计最好的电磁量能器,再加上放在外围、完全独立而精确的缈子探测器。这个概念深深影响后来的 LHC(大强子对撞机)实验。另外,他从不侷限于使用某个特殊的技术,而是针对物理的需求,寻找最好的仪器,只要实验有需求,他的团队便会立刻投入开发最适合的技术,并设计製造出最先进的仪器。以这样的精神,丁院士开发了很多全新的探测器,例如 J 粒子实验的双臂谱仪、L3 的 BGO 晶体探测器、太空中运行的磁谱仪等等,都是超过当时水平的设备。这样的能力,让他一直保持在实验物理最领先的地位。

丁教授对实验室一丝不苟的管理,一向让人津津乐道。尤其是强调在实验进行中,值班人员必须专心一致,不得从事任何其他活动的严格要求,常被视为不合情理。对于实验数据的分析,一定要有至少两组人员同时独立进行,也经常让人以为是多余的。然而,丁院士在粒子物理界有「从不出错」的名声,正是从这样的细节中达成。

研究精神的启发

丁院士在 J 粒子发现的过程,碰到层层阻碍。几乎所有同时期的物理学家都不相信他的想法。他提出的实验构想,被各个加速器中心拒绝。也有着名的物理学家认为他的实验不需要那幺高的精确度,要求他降低精确度以节省经费。丁院士不为所动,坚持自己的信念,终于获得震惊世界的成果。其实,在他早期的其他实验中,就多次以精确的实验,打破前人的错误结论。他勇于挑战权威,拒绝盲从专家的「定论」,永远保持怀疑态度和独立思考的精神,对后人有很大的启发。

丁院士专注于研究的毅力与对物理的执着,在物理学家中极为少见。他在进行任何一项实验时,都是全心全意,一切以实验的成功为最高优先。除了实验相关的工作,他从不担任行政职务,推拒了许多政府职位的邀请。一直到现在年过八十,仍然以实验室为家。他也从不畏惧任何困难,经常以一己的意志力,在不可能中创造奇蹟。例如,AMS 实验建造中期,美国太空总署突然宣布将取消载运 AMS 到太空站的计画。当时许多人都认定 AMS 已无希望,丁院士则完全不为所动,尽全力各处奔走,说服美国国会及行政部门,终于让 AMS 顺利升空。这样不屈不挠的意志,让所有物理学家都非常佩服。

丁院士的研究成果与研究精神鼓舞了许多有志于科学研究的华人。尤其是他重视实验的态度,有非常长远的影响。丁院士在诺贝尔奖典礼的演讲,对这一点给了最好的说明,他说:

得到诺贝尔奖,是一个科学家最大的荣誉。我是在旧中国长大的,因此想借这个机会向在发展国家的青年们强调实验工作的重要性。

中国有一句古话:「劳心者治人,劳力者治于人。」这种落后的思想,对在发展国家的青年们有很大的害处。由于这种思想,很多发展国家的学生都倾向于理论的研究,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,物理学是从实验産生的。

我希望由于我这次得奖,能够唤起在发展国家的学生们的兴趣,而注意实验工作的重要性。

丁院士对实验粒子物理的深远影响,将持续指引未来物理的发展。他的传奇仍在进行中,AMS 实验在他的领导下,正持续发表全新的结果,大幅改进我们对宇宙射线的认识。我们期待在不久的将来,再次听到他在基本物理上的重大发现。