丁肇中获得诺贝尔奖 图文:诺贝尔物理学奖获得者丁肇中在演讲
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,根据跟美国达成的协议,所有的物理由我负责,可是安全由他们负责,因为要带6个宇航员到天上去,他们来检查。
这是航天飞机,这是固定火箭,这是燃料箱,这还有一个固定火箭。航天飞机最初上升的时候,这两个固定火箭大概250吨,在千分之一秒,燃料是氧化的,最初二分钟没有办法控制的,所以很容易出事情。两分钟以后,就会掉下来。这是飞行船,八分钟以后这个筒子就掉下来了。在天上飞行10-16天以后,在降落的时候,然后转过来,头向后,然后降低速度,然后滑行到发射场。上空的时候是火箭,飞下来的时候是飞机。
这是航天飞机在天上离地面400公里,每小时2700公里的速度,上面有五个宇航员坐在这,这次飞行的任务,最初三天从这个接口由宇航员把水和食物送到俄罗斯的和平号,剩下7天收集数据。这是航天飞机与和平号一百公尺的时候。
发现很多很奇怪的现象,第一个现象,在磁道上空离地面400公里的时候,有一个绕着地球的质子环,飞向外空的时候是4200公里。还有一个很奇怪的现象,大家知道所有的宇宙是中性的,从外在空来看,正电和负电的质子一样多,但是发现并不是这么回事。
这是赤道,这是北极,正电比负电高四倍左右。这样现象非常的奇怪,想象不到,这是人类第一次把门打开进去,所有的现象都是新奇的。过了几年我们了解这些现象和原因的时候,你会觉得很自然。
实验成功以后,我们在2006年用182号航天飞机把我们带到空间站。现在我们正在完成这个实验,其中比较困难的是磁铁。大家记得假如电流经过一根普通导线的话就会产生磁场,普通导线有原子振荡,所以会有摩擦产生热,在1911年的时候,荷兰就发现导线冷却到零下270度左右的时候,电子就不动,电子不动的话,原子就不动,原子不动的话,电子就会产生热,这是一个非常奇怪的现象。
过去一百年里面,有40多个诺贝尔物理奖。用超导是非常困难的,原因是这个导线跟另外导线中间的力量非常大,有时候有好几吨,这两根导线万一一碰就会摩擦,一摩擦就会产生热,就会导致整个原子热,也就会失超。
在90年的时候,87公里的加速器花了30亿美金。
这个磁铁由很多国家一起来做,美国的宇航局、瑞士、西班牙、德国、意大利、中国的上海交通大学、芬兰和俄罗斯、莫斯科大学,一起来制造,然后在英国组装。创造这些能够利用高空,是高科技发展的新现象,在以前是不可能的。
第一个要解决的问题是有没有指南针的现象,没有指南针现象,线路的设计,这是第一次飞行的永久磁铁,第一次和第二次完全一样,唯一不同是第二次的磁场比第一次的磁场高,也就是说比地球的磁场高二万倍。总共14个线圈,再过几个礼拜,14个线圈就做完了。
做完了以后,不代表顺利完成任务,做完了以后是问题的开始。所以一做完以后,要详细检查。怎样检查呢?每一个线圈,都要检查能不能冷却到零下270度,会不会失超,除非你把一个打火机放在旁边。
为什么不会失超,因为我们花了很多时间来了解它的工艺,也就是说这根导线外面有一个铝,这铝是百万分之二,同时导线铝中间,中间的距离是一样的,所以不会有摩擦现象,在长105公里之间。导线和另外导线之间没有任何结构,这是很困难的,差105公里。设计最精密的东西,到瑞士看最贵的表是人工做的,所以两位英国人就制造这导线。
当温度非常低,接近零的时候有很多奇怪的现象。什么现象呢?我们都知道普通液体的特性是热向冷走。到接近零度的时候是冷向热走。超热体是非常新奇的现象。什么意思呢?这是我们的磁铁,这是切面图,这是正面图,三米半径,三毫米厚,里面的线圈,线圈的热有冷热交换器,当液体的氦蒸发到一半就会变成球状,这样冷热交换器就不能均匀的切下来,所以不能用普通的氦。
这个时候,就是超流体,在接近零度的时候,在4.3度冷到1.6度是非常困难的,至少没有人做过。
还有一个小问题,大家会想象到,在空中怎样传送超热体的氦,带2500度的氦冷冻超热体,自己做一个泵,这个泵就是一个加热器,这边比这边温度高百分之一度,超流体往这走,超热体往这走,互相不会进来。这是很多小小的工艺问题。
更重要的是因为很少人做过这种,所以任何人计算的数字最好做两道。第二,你来做振动实验、真空实验、模拟航空飞机升空的情况,因为外面非常的薄,体积非常大,你做了振荡以后就不知道有没有金属疲劳,就不能站立。上海的交通大学负责把超导磁铁在地面上冷却到零下271度,是地面冷却性,分为二步,一是100度冷却到80度,然后从80度冷却到1.
8度,这是航天飞机降落的跑道,把仪器运过来以后,会有很多的实验室来测量我们的仪器,把仪器运到发射台时候,A这部分就会带走,只有B这部分,B这部分在航天飞机升空前就把它拿掉。这是很困难的技术。
其余的仪器就不一一说了,还有一个值得一说的就是舰艇仪器,大家知道在舰上有一个很好的哈勃望远镜,美国人认为我们这个仪器等于带电的哈勃望远镜。仪器放在天上的时候,所有电能来自太阳能板,有很多信号,总共是30万个信号,650个微处理器,这个微处理器比现在美国通用的空间微处理器快十倍左右,所以根本没有办法买到。
这是做好的各种微处理器。到了2006年,大家没事的时候可以看得出来,要造什么呢?如果宇宙大爆炸的时候,一部分是正物质组成的,一部分是反物质组成的,在三到五年,会测量到20亿个氦,如果20亿个氦没有找到一个反氦的话,就不行了。
我们在中国南京东南大学设了仪器和天上一模一样的仪器,如果出现什么事情的话,可以在地面上观察得到。
我现在向大家说第五个体会,要实现这个目标,最重要的是要有好奇心,对自己正在做的事情感兴趣。同时要勤奋的去工作。可能有的人会问,你花这么多的力气,花这么多的钱,有什么用处?所以给大家讲一讲,有一位科学家认为通过打破原子转化能量是不合算的,这是非常有名的物理学家。
还有一位很有名的科学家,美国人,他说电子从理论和技术而言是可行的,从商业和经济上看,我认为是不可能的,不过是浪费时间的梦想。上一个世纪一个最伟大的英国科学家,他说“X射线是骗局”,认为是不可信的。
总结了以后你就会了解下面。物理学跟这个有关系,这是一百年前的物理学,这是三十年代和四十年代的物理学,这是现在的物理学。一百年以前,最尖端的物理学是光学,现在用在航空、航天、无线电子。
三十年代最尖端的物理学,原子类型、量子类型,半导体等。四十年代最尖端的物理学是同位素。八十年代前是慧星,用在气象探测。这么大距离是恒星,什么意思呢?从发现和应用,有时间,这时间可能是三十年、四十年,但是当一个新的科学开始的时候,永远在尖端,因为尖端,常常有些人认为是没有用的。
只能经过三十年、四十年以后,等大家熟悉这个现象以后才能转换为应用。转换为应用的时候,往往改变了整个人类。
