我所经历的现代物理及体会(二)

丁肇中

(麻省理工学院，马萨诸塞州 02179-4307，美国)

3 对意外的现象要有充分的准备

第3个实验是1979年发现胶子。刚才已经和大家介绍过了，原子外面是电子，元素按照电子排布就变成周期表。原子里面有原子核，原子核里面有粒子，粒子里面有夸克，把夸克“绑”在一起的是胶子。发现胶子的意义是很大的。宇宙中有三种力：一种是引力。引力波从1942年开始探测，现在才发现，去年拿到了诺贝尔奖；电弱力是由光、Z0、W±子传输的；强力，是在夸克中间的力，是由胶子传输的。

在上世纪七十年代，世界上最大的加速器，是在德国汉堡名为PETRA的300亿eV对撞机(图10)，这是我的实验。实验目的是继续找电子的半径。

图10 德国汉堡PETRA300亿电子伏特对撞机

我一直很奇怪，为什么我们天天用电，却永远也找不到电子的半径。那个时候，中国有件事“文化大革命”，可那个时候我天天在实验室中，并不知道这个是什么，1975年回中国以后才知道有个叫“文革”。1977年8月17日回到中国，邓小平主席建议每年派10个科学家参加我的工作(图11)。从那个时候起，中国科学家参加我们团队，做出了世界公认的贡献。1978年以来，有超过了1000位中国科学家来参加了我的实验。有部分的科学家回到中国，比方说中国科学院的唐孝威、陈和生、郑志鹏、王贻芳和山东大学的程林教授等。有一部分留在国外，留在麻省理工学院、加州理工学院、密西根大学，还有很多其他大学。这是1978年第一批到德国实验室的科学家的照片(图12)，中间这一位是我的妻子。

图11 1977年8月邓小平接见丁肇中

图12 第一批到德国实验室的科学家

怎么样使胶子发现：当有一个能量很高的正电子和负电子碰撞的时候，能量就变成质量，质量可以产生成夸克。夸克出来以后，就变成一个喷注；然后有反夸克，也放出一个喷注。假使有胶子存在，就会有另外一个能量。胶子能量很低的时候有两个喷注，随着胶子的能量增高，会有3个喷注。发现相应的现象就意味着除了夸克以外，还有胶子(图13)。

图13 实验的现象意味着除了夸克以外还有胶子

所以胶子的发现是非常重要的。1979年9月2日，美国《纽约时报》头版整篇的消息介绍了这个实验(图14)。中间有一段说：27名中国科学家参加了主要的实验。在有关核粒子的国际合作研究史上，这是第一次，也是中国的一个重要的贡献。当年的人民日报也报道了关于胶子的发现(图15)。

所以做实验的第三个体会：对意外的现象要有充分的准备。因为我开始做实验的时候根本没想到会发现胶子。

图14 纽约时报报道胶子的发现

图15 人民日报的报道

4 组织大型国际合作，要选科学上最重要的题目

第4个实验花了20年，在欧洲核子中心的L3实验(图16)，就是用周长27 km的正负电子对撞机完成的，用1 000亿eV的正电子和1 000亿eV的电子对撞。至于对撞的温度，大家可以想到，1 000亿eV的电子对撞，产生的光是很亮的。日光灯管是220 V，1 000亿eV对撞时的温度是太阳表面温度的4 000亿倍，是宇宙诞生最初的1 000亿亿分之一秒时的温度，也就相当于在实验室里制造宇宙刚开始时的温度。

图16 第4个实验

要找什么呢？要找宇宙中最基本的粒子。我们说，通常用电，有电子。在宇宙中有几种不同的电子？电子到底有没有体积？电子能不能分成更小的东西？你要是问理论物理学家，他们会告诉你，这些都知道了，想这些是没有意义的。人们之前认为宇宙中只有3种夸克，第4个夸克被我发现以后，现在第5种第6种都已经找到了。发现了第4种，就意味着原来的观念是错误的。到底有多少种夸克？夸克有多大？理论物理学家觉得，这些问题他们已经都知道了。可要是不去做实验，你永远不知道事实是怎么回事。

L3是一个很大的国际合作组，有很多的国家参加。原来是十几个国家，在做这个实验的时候，苏联忽然“变成”很多个国家了。实验用的核心仪器和一间屋子差不多大，包含不少的探测器，仪器内部放有晶体。仪器中的磁铁都是由线圈组成的，有28个线圈，每个重40 t。苏联科学院制造的量能器，有300 t的铀，10万个电子信号通道。(图17)L3实验是首次美国、 苏联(前)、中国(台湾)、欧洲等19个国家的600名科学家，共同参加的大型国际合作。中国的主要贡献是由上海(中科院)硅酸盐所生产的BGO晶体，BGO晶体是透明的，其比重和钢相同。当时世界年产量只有4 kg，可是我需要12 t。这个问题被上海科学院(中科院硅盐酸所)解决了。现在他们的晶体产品，已被广泛用于世界的工业及医学领域。

图17 实验所用电磁铁、量能器

仪器的电磁铁和300 t铀均来自苏联。这是苏联70年来在国外做的最大的实验。那段时间我经常到莫斯科去，最大的印象就是那边的饭不好吃。这个实验20年发表了300篇文章，有300个人获得博士学位。《科学美国人》用杂志封面介绍了我的实验。实验的结果可以用三句话总结一下：

(1)宇宙中只有三种不同的电子。第一种就是我们天天使用的，“走过”导线的电子；第二种是宇宙线上的电子。宇宙线上的电子比我们通常用的电子(即第一种)重200倍；再有一种就是原子里面的电子，比我们通常用的电子重4 000倍。

(2)电子是没有体积的，电子的半径小于10-17cm。我开始做实验的时候，证明电子半径小于10-14cm，经过30年的时间减少了三个数量级，就是(意味着)永远找不到电子的半径精确的数值。这个是非常奇怪的现象。我们天天用电，但永远找不到电子的半径。

(3)夸克也是没有体积的，夸克的半径也小于10-17cm。

我的第四点体会：组织一个大型的国际合作，最重要的是要选科学上最重要的题目，引起参加国科学家最大的兴趣。因为我并没有权利要求各国政府支持我，只能帮助他们的科学家向政府解释实验的做法。

更重要的是，科学是很多人一起做的，绝不是我一个人做的。所以对贡献大的科学家(投影材料上为“国家”)，要有优先的认可，并使之得到国际上的公认，这样才能得到参加国政府长期的优先支持。人家支持你，你却把所有的结果都认为是你自己的，这就很不对。