“实验是自然科学的基础,理论如果没有实验的证明,是没有意义的。当实验推翻了理论以后,才可能创建新的理论,理论是不可能推翻实验的。”
这是著名物理学家丁肇中教授在2006中国科协年会开幕式后所作报告中开篇的话。这位华裔诺贝尔奖得主,用近半个小时为到场听众讲述了一个个实验物理的生动故事,并由此揭示了一条条不仅仅适用于科研的人生哲理———
实验:测量电子的半径
感言:“我没有做实验以前,都是世界级的专家在做这个实验,不要盲从专家的结论”
1948年,根据量子电动力学,费曼等科学家提出电子是没有体积的,这个理论是被当时所有的实验所证明,他们因此获得诺贝尔奖。但是1964年哈佛大学和康奈尔大学著名的教授们和多年专门从事这种实验的专家们用很多年的时间,做了两个不同的实验得出了相反的结果———量子电动力学是错误的,电子是有体积的,他们的结果受到物理学界的认可和重视。
因为这是关于物理基本观念的实验,所以丁肇中决定用不同的方法来测量电子的半径。那个时候,他刚拿到博士学位,没有任何经验,所以没有人相信他能做出这样的实验,也没有人支持他。
1965年,丁肇中决定放弃在美国大学的前途,到德国新建的加速器用不同的方法重做实验。8个月以后,他的实验证明量子电动力学是正确的:电子是没有体积的,它的半径是小于10的负14次方厘米。
实验:新粒子价值的发现
感言:“要对自己有信心,做你认为正确的事,不要惧怕困难,不要因为大多数人的反对而改变”
在1974年以前,物理界认为,所有的粒子是由三种夸克所组成。而丁肇中提出的问题是:为什么宇宙中只有三种夸克?为了寻找新的夸克,他决定建立一个高灵敏度探测器。在20世纪90年代初,他设计了这个实验,实验要求的精确度是极高的,相当于在北京下雨时,每秒钟有100亿个雨滴,如果有一个雨滴是红色的,他们要从这100亿个里找出来。
这个实验不受物理学界欢迎,大家都相信只有三种夸克,没有人相信如此困难的实验能成功。两年以后,他们果然发现了一种新的粒子,它具有奇异的特性:它的寿命比已知的粒子长一万倍。这种新粒子的发现,证明了宇宙中有新的物质存在,它们是由新的夸克组成的,丁肇中和他的同事把它命名为J粒子。
J粒子的发现对物理的贡献。J粒子的发现,改变了物理学界长期认为世界上只有三种夸克的观念,改变了人类对于物质基本结构的认识。继J粒子之后,人们又找到了新的粒子,现在我们已经知道,世界上至少存在六种不同的夸克。
实验:胶子的发现
感言:“做科学研究对意料之外的现象要有充分的准备”
丁肇中和同事在做实验的过程中,发现正负电子对撞时,出现了胶子喷注现象,这一发现为胶子的存在和量子色动力学提供了实验依据。
1979年9月,美国《纽约时报》头版消息报道了他们发现胶子的消息。《参考消息》1979年9月11日转载《纽约时报》头版消息,27位中国科学家参加了这次主要的实验,在有关核粒子的国际合作研究项目史上,这是第一次,也是中国的一大贡献。《人民日报》1979年9月5日说,这种新粒子发现引起全世界科学界极大兴趣,科学院高能物理研究所唐孝威等20多位科学工作者参加了这项实验研究。