丁肇中“太空站找反物质实验”演讲(实录)

丁肇中“太空站找反物质实验”演讲(实录)新浪科技主持人：“外交学院论坛”现场已坐无虚席，论坛将在几分钟之内开始。主持人：工作人正在主席台上调试扫描仪等设备。演讲的题目是“寻找宇宙中最基本的结构”。主持人：嘉宾已坐上主席台，论坛马上开始。吴建民：各位老师、各位同学，我们非常高兴请到著名的物理学家丁肇中教授给我们讲课。今年五月份，丁教授邀请我到他家里做客，当时我已知道我要到外交学院来工作，我就向丁教授提了一个要求，我说能不能你到外交学院讲一讲课，丁教授就同意了。既然他同意，表明他对外交学院的同学、老师们的关心，我们对他的到来表示热烈的欢迎。肯定大家会问我们是外交学院，为什么请著名的物理学家丁教授给我们讲课呢？道理很简单，外交，优秀的外交官是通才，而不是专才。人们讲是杂家，懂的世界很广，尤其对科学的理念问题，我们要有一定的认识，这样才能够当一个优秀的外交官。今天丁教授给我们的讲的题目，对过去三十年物理研究的回顾。丁教授做事情非常的严谨，40岁得了诺贝尔物理奖，大家知道诺贝尔物理奖是很难得的一个奖，得奖人的年龄都在60岁以上，丁教授工作比较突出，40岁就得奖，他一直非常勤奋的工作。他现在在国际太空站搞一个实验，就是AMS，研究有没有反物质。我问他一个问题，你怎么想起这个点子的——反物质，他说我是在家里散步的时候，我到他家里，家里有小树林，他经常在那里散步想出一个问题，科学家脑子不断想问题，这种精神非常值得外交学院的同学学习。今天我们外交学院举办这次活动，新闻媒体非常的重视，有新华社、人民日报、光明日报、北京晨报、中央电视台、中国教育电视台、中央人民广播电台、中国国际广播电台，还有新浪网，来报道我们今天的活动。我特别提一下新浪网总裁汪延先生也来了。丁肇中：我非常高兴到这来介绍我做什么，我是花钱最多、经济效益最少的人。我说的事情就是“寻找宇宙中最基本的结构”。在中国的古代对物质基本结构有两种不同的看法，第一种看法就是最基本的结构和粒子，粒子是可以数得出来的，另外一种宇宙中最基本的结构是连续性的。粒子的观念起源就是阳和阴。连续性观念的起源是公元前六百年道家创始人老子，他认为最基本的东西是永远摸索不清的。对一个外交官来说，这种观念是非常有用的。原因是什么？最大的受用就是韩国的国旗。在西方国家过去二千年，对基本粒子也有不同的看法，在二千年以前，西方认为土气水火是最基本的，在16世纪的时候，认为最基本的东西除了土气水火还有水云、盐等，在一百年以前，所有的科学家都认为我们已经知道宇宙中最基本的东西是什么，宇宙中最基本的东西就是化学元素，所谓周期表。在60年代，我们认为宇宙中最基本的东西是原子核，也有一百多个。到了60年代末期，我们认为宇宙中最基本的东西不是原子核，而是好几百个基本粒子。现在我们认为宇宙中最基本的东西是三种氢子和六种核壳。现在我向大家介绍一下我所经历的实验物理和我的体会。我向大家说五个故事。第一个故事，就是测量电子半径，大家知道电子是一百年前由英国杰汤姆斯发现的，电子是我们生活中最重要的。在1948年，有一个电子理论，这个理论说电子是没有体积的，换句话说，没有半径。这个理论被所有的实验证明，汤姆应该获得诺贝尔奖。到1964年，有些专家做出的实验同时证明电子半径是负13次方厘米。怎样测量电子的半径？测量东西不是用光来测量。为了测量电子的半径，麻省理工学院和哈佛大学做了周长1千英尺的电子加工器，一共有60亿光，然后哈佛大学和麻省理工学院用这个光来测量电子半径。在60年代物理学家最重要的一个实验就是麻省理工大学和哈佛大学的实验，当时这个实验太重要了，所以我决定重复这个实验，是我第一个实验，很累人。到了66年我在德国用不同的方法做这个实验，发现电子的半径确实小到不可琢磨的，我实验的结果完全符合电子半径为零的理论。这是当时做的仪器，这是磁普仪。我的第一个体会，对于做科学的人，不要盲从专家的结论。因为我没有做这个实验以前，另外几个实验都是世界上最有名的专家所做的。在60年代末期，人们对宇宙的观念是这样的。原子外面有电子，原子里面有原子核，原子打开有粒子。所以我的第二个故事就是讲氢粒子加速的发现。到了70年代，所有已经知道的基本粒子已经好几百个，都可以归结为三种物质中子，我就问为什么宇宙中间只有三种元素，为了寻找新的元素，我使用新的仪器。70年代初期我设了一个实验，目的是寻求新粒子中的新物质，要把它找出来是比较困难的。这种实验不受物理学家的欢迎，因为学理论的都说，所有物理的现象可以用三种口号解决，你这种实验是没有意义的。这个实验被世界上每一个实验室所拒绝。到了1974年我们在美国纽约完成实验以后，发现新的粒子，发现新粒子以后就很快发现了另外一个元素，它被所有的粒子活动，换句话说，它可以重三倍左右，这并不奇怪。最奇怪是这个元素比其他的粒子寿命长一万倍，什么意思呢？大家知道所有的人活到一百岁，突然找到一个村庄能活到一万岁或十万岁的话，那就很奇怪了吗？所以表示说有新的物质存在，这是新的实验。因此只有三种外核是错误。这是当年英国广播公司BBC来记录我们实验的结果。最近的结果，就是当正负电子能量等于3的时候，突然出来一个想象不到的结果。所以我第二个体会就是说做基础研究，大家有信心做正确的事情，不要因为大多数人反对而改变。第三个故事，是胶子发现，大家在念书的时候知道中间是原子核，电子和原子核的力量是由光来传输的。在七十年代我们知道原子核里面裹氪，其中是由胶子来完成。在70年代末期，我在德国的汉堡，有最大的压缩器，作为加速器看起来复杂，基本原理非常的简单。这个磁铁到电子转弯，这个磁铁就是电子预交，这个实验必须着电子半径。这个仪器做完以后，忽然觉得可能测量有没有焦距存在。怎样测量法呢？就是加速电池的正负兑换，出现三种情况。果然这点是实验的结果。第三点体会对做科学，对意外的现象有充分的准备。第四个故事我就不太敢说了，我迫切要求合作。我们知道宇宙是由点粒子形成的，也就是说有六个夸克和三种电子，它比电子重四千倍。那就可以问下面的问题了。第一个问题就是到底有多少夸克，为什么只有三种，电子有多大，能不能分为更小的东西，到底有多少夸克，夸克能不能分得更小。做这个实验，过去二十年里我一直在西欧实验室工作，周长27公里，在地底下50公顷，在这几个地方正负电子对错，里面有一万多个磁铁。基本原理是什么？就是说有一千一亿的电子和一千亿的正电子对号，时间非常短，十亿分之一秒，可以想象有多少高的温度，是太阳表面的四千倍。假如宇宙爆炸，爆炸时温度非常高，我们在实验室里制造宇宙诞生一千亿分之一的时候。我介绍当时我的实验室，外面是磁铁，重一万吨，和原来的苏联合作，里面有一层、一层、三层探测器，乘16厘米、乘16厘米、乘16厘米。大家记得在中学做实验的时候，第一个实验是小线圈，放电进去产生磁场。我的线圈和原理一样，唯一不同是稍微大一点，有500万圈。为了测量所有原子里面的东西，我们用了三百吨的油。这个实验室跟这个差不多，把实验室打开以后，有不同的探测器。探测器分为四层，四层做什么呢？第一层、第二层、第三层、第四层，有电子轨道、宇宙轨道、光轨道，其他的粒子有一个轨道。这是一个国际合作，有韩国、中国，包括台湾，印度，苏联，欧洲的国家和美国大概20多个，总共有600个科学家，大概50个研究。在实验开始的时候，正好是冷战的时候，是美国、苏联、中国、欧洲大型国际合作，在开始做这个实验的时候，只有15个国家，后来又变成了19个国家。三分之一来自美国，三分之一来自苏联，这是苏联在国外最大的国际合作，有好几百个俄罗斯人跟我们工作，占三分之一。这是一个科学杂质，是剖面图，可以产生粒子，有二千五百个微处理器，发表了很多文章，很厚，有三百个人用来做博士论文。所有的结果可以用一张纸写出来。也就是说宇宙中只有三种不同的电子，普通的电子都已经找到了。第二，电子是没有体积的，它的半径小于10的负17次方厘米，大家想这是非常奇怪的现象，我们用电一百多年了，永远不知道电子的半径是多少。把眼睛闭着晚上想一想，是非常奇怪的。夸克也是没有体积。很多中国科学家参加这种工作。这也是第一次西班牙人参加国际合作，在80年代以前，西班牙国家比较保守，当时西班牙派出一批人跟我合作。除了科学以外，对我个人来说，比较高兴的就是有很多的科学家诞生，而且非常有成绩的。比如西班牙自然科学基金的主席，日内瓦大学的校长，牛津大学的教授，这位是东京大学的教授等。第四点体会，关于国际合作。也就是说怎样领导一个大的国际活动。我觉得最重要的是要选对科研题目，体现出科学家的兴趣。大家能看重一个题目，这是非常重要的。第二，领导一个大的国际活动，对贡献大的国家要有优先认可，使之得到国际的公认。32年来，有很多的国际合作，从来没有缺少实验经费。这是我设计实验的时候，从来不要考虑钱。所谓贡献大，并不是说这个国家出钱多，而是这个国家的科学家有重要的贡献。第五个故事，向大家展示一下我现在的合作，就是在国际空间站上研究外太空的反物质，所谓AMS，在国际空间站。国际空间站现在正在建造，这是一年半以前的图，由美国的宇航员打开，这部分是俄罗斯人做的，这是航天飞机，把舱带过来和空间站接口。这是在哥伦比亚号没有出事之前最好的一张图，已经做了一半国际空间站，里面有三个人。国际空间站长109米，宽80米，重420吨，当2006年以后，空间站是除了月亮和星星以外是最亮的星，等于三个足球场大。这个空间站是美国、日本、俄罗斯和西欧所有国家一起合作的，造价并不便宜。这个实验经过大量的国际竞争以后，是空间站上唯一的大科学实验。在历史上，天文现象的研究是用光学观察天文，人类最早对星球爆炸的记录就是在公元前1300年，甲骨文上的记录。星球爆炸的现象，最近被美国的哈勃望远镜重新照下来，这种现象最详细的记录是在公元1054年在中国的宋朝，在宋朝差不多好几个礼拜天有一种现象，我有一张图上有。在宇宙当中有光、有电子、有核子、有原子核和反原子核，过去所有的实验，美国的、中国的、俄罗斯的、欧洲的，都是测量光的，人造卫星就是地面站。除了光以外，在宇宙中还有带电的粒子，因为带电必须要有质量，因为有质量被大气吸收了，所以必须在太空中测，因为它带电，需要磁场分辨的电子核。台湾有很多的单位参加，有中央大学太空计划所，中山科学院，国防科工委和中央研究院。为什么请中国的大学来参加？因为这个实验是由很多大学组成的，包括美国的麻省理工学院、耶鲁大学、日内瓦大学、莫斯科大学等好的大学，更重要是过去一百年里，所有的诺贝尔物理奖都来自于大学，原因是有综合的优势和大量的学子，这就是邀请中国大学生参加的原因。这是空间站惟一的实验，也是美国政府和俄罗斯政府在空间站上的重要活动。大家可能会问，这么大的实验到底要花多少钱？花多少钱在这张图上，这是美国的火箭，我们刚才算上去，把钱放上去，比那个实验还便宜。对于做这种大的国际实验，常常会有人来帮助你。但这是非常难的事情，因为从来没有人做。所以，我们先在98年6月用航天飞机把我们的实验带到空间做事先的测量。第二次实验是在空间站做三年到五年，第一次飞行了十天，飞行箭和第二次内径是一样的，唯一不同是用永磁。大家记得在中学二年级第一次念物理的时候，所谓牛顿三大定论，牛顿第二定理就是动量和质量乘速度，动量是在磁场轨道上测出来的。为什么磁场带到天上很困难？加入有一块磁铁，用绳子拴着，它永远是往南转或者往北转。这是多少年航空飞机不能带磁场最主要的原因。这个困难被中科院电工所解决了。中科院所设计的磁铁是由铝铁做成的，航天的铁可以用黄金来算的。第二不漏磁，不影响宇航员的操作。宇航员的呼吸系统到60度的时候自动关闭。第三是没有磁矩，就不会断。这设计的磁铁，外面是铝的，里面是空的。从外面看出来，这个磁场和那个磁场抵消掉了，这是成功最主要的原因。这个问题40年里没有人想出来，后来被中科院的电工所解决掉。磁铁总共有六千个磁铁，胀力是非常大的，做的时候非常的危险。做完了以后，在北京做模拟飞机控制情况，不要让它飞出来。做完以后请美国宇航人员检查此事，