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准确研商

文章作者:数理科学 上传时间:2019-10-24

寻找反物质、暗物质

各位老师!各位同学!非常高兴能够到东南大学来与大家交流。今天我报告的题目是“我所经历的实验物理”,介绍我的五个实验及体会。

核心提示

不要盲从权威专家的结论

科学是多数服从少数,只有少数人把多数人的观念推翻以后,科学才能向前发展。

我的第一个体会是:不要盲从专家的结论,在我以前做实验的都是世界很有名的科学家,他们的实验结果未必都是正确的。

我的第三点体会是,科学是很难推测的,对意料之外的现象要有充分的准备。

宇宙是最广阔的实验室,宇宙中的反物质与暗物质等议题是近代物理学最基本的问题。AMS实验作为唯一在太空中进行的大型科学实验,最重要的目标是探测未知,寻找自然中存在、我们无法想象、也不曾发现的现象。

这个实验同样不受物理学家欢迎,因为大家都认为宇宙中只有三种夸克。做实验的人当中,也没有人相信能做出这样困难的实验,所以这个实验曾被世界上所有的实验室所拒绝。直到1972年,美国的布鲁凯文实验室接受了这个实验。要从100亿个已知粒子中找到一个新粒子,必须在每秒钟输入100亿高能量的质子到探测器上,这么多质子输入探测器所产生的放射线会彻底破坏探测器,工作人员也非常危险,因此必须发展全新的、非常精确的、在非常强的放射线下能正常工作的全部仪器。当每秒钟100亿个质子输进去的时候,要求用很大的屏蔽系统。我们的屏蔽系统用了1万吨水泥、5吨铀、100吨铅和5吨肥皂,肥皂可以防止中子。当时向美国政府要5吨肥皂是很困难的。这是当时我们把探测器做完了以后,为探测器所做的新的仪器,这个探测器现展于美国国家科技馆,分辨率是100微米,同时能分辨2000万赫兹。

从去年5月19日到现在,已经收集到了170亿个宇宙线数据,大大多于过去100年收集到的宇宙线总和。在未来20年内,可以收集到3000亿个数据,能够探测到宇宙边缘信号。东南大学AMS—SOC目前正承担170亿数据分析的重要任务,特别感谢易红校长、罗军舟院长和龚俭主任的支持。

J粒子发现的贡献是:改变了人类对于物质基本结构的认识。J粒子发现之后,人们不再相信只有三个夸克了,现在我们知道世界上至少存在六种不同的夸克。

第一个实验是测量电子的半径。1948年,有三个物理学家,一个是费曼,一个是施温格,第三个是朝永振一郎,他们通过实验,得出这样一个结果:电子是没有体积的,换句话说电子是没有半径的。这个理论被当时所有的实验所证明,后来他们因此获得了诺贝尔奖。但是1964年,哈佛大学和康奈尔大学的著名教授和多年专门从事这种实验的专家,用若干年时间做实验,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,电子的半径在10的负13至14厘米之间,也就是说测出了电子的大小。他们的实验结果受到了物里学界的认可和重视。这是关于物里基本观念的实验,而且都是权威科学家的实验结果,究竟谁是谁非?

科学是很难推测的,对意料之外的现象要有充分的准备。

强力由谁传输?

1979年9月美国的《纽约时报》首次用整版报告了发现胶子的消息。27名中国科学家参加了这次重要实验,在有关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。当年的《人民日报》也介绍发现胶子的事情。

科学往往是多数服从少数

做你认为正确的事情,不要畏惧困难,不要因为大多数人的反对而改变。

AMS是一个很困难的实验。2005年,美国航天飞机出事后,宇航局决定取消所有到空间站的科学实验。当时很多人认为,尤其是美国宇航局认为,我应该附和他们的决定,我说你们的决定是错误的。能源部也不同意,因为AMS的实验是很重要的。于是,2008年,美国参议院、众议院通过法律,要求美国政府专为AMS增加一班航天飞机。这是美国建国以来两院第一次出手管一个科学实验的事情。

宇宙有多少不同的电子?

第三个实验是胶子的发现。1977年8月,邓小平先生建议每年派10个科学家到我这里来工作,这是我和中国科学家合作的开始。现在有很多很多科学家到我那里工作了,很多人都做出了很重要的贡献,比方说唐孝威院士、陈和生院士、郑志鹏院士等等。20世纪70年代,德国加速器PETRA是300亿电子伏特电子质子对撞机,我的实验目的是继续测量电子半径,却意外发现胶子。

大家听说过宇宙是大爆炸来的,我们这个实验的目的就是制造宇宙刚开始时候的情况。这是一个比较大的实验,用的磁铁是1万吨,里面有300吨的铀,均来自于前苏联。这个实验是美国、苏联、中国、欧洲等19个国家600多名科学家共同参加的首次大型国际合作。中国政府也非常支持这个实验,包括给了一个当时非常先进的计算机,同时在上海的硅酸盐所生产BGO晶体。BGO和不锈钢是一样的,不同的是它是透明的。当时每年的产量是4公斤,很不幸的是我们需要12吨,怎么办呢?所以很多人认为这是不可想象的,结果上海的科研所做出来了,现在他们的晶体已经被广泛用于工业和医学上。

这个实验也是大型的国际合作——美国、中国、俄罗斯、芬兰、法国、德国、意大利、瑞士等国家在空间领域的合作,有60个大学和600位科学家参加。

因为在诺贝尔奖历史上,从来没有人用中文做过演讲,所以我决定在授奖的时候用中文演讲。。1977年我见到了叶剑英元帅,他写了一首诗给我:“攻城不怕坚,攻书莫畏难,科学有险阻,苦战能过关。”我觉得很有意义。

做正确的事,不要畏惧困难

第五个实验是去年9月和大家讨论过的国际空间站上的AMS实验。AMS是阿尔法磁谱仪的简称。之前已经说过,国际空间站是夜空中除了月亮和星星之外最亮的星,国际空间站长109米,宽80米,重420吨,造价是1000亿美元。AMS实验是国际空间站上唯一的实验,也是第一个送入太空的磁谱仪。AMS实验的目标是寻找由反物质组成的物质、暗物质和宇宙线的来源,对人类认识宇宙的形成机理有着极其重要的意义。

不要盲从专家的结论,权威专家的实验结果未必都是正确的。

我的第二个体会是对自己要有信心,做你认为正确的事情,不要畏惧困难,不要因为大多数人的反对而改变,换句话说,要原谅大多数人的错误。

国际科学合作要选最重要题目

我的第五点体会是,科学是多数服从少数,只有少数人把多数人的观念推翻以后,科学才能向前发展;自然科学研究是具有竞争性的,科学研究只有第一名,没有第二名。

电子有没有半径?

第二个实验是新粒子家族的发现。在1974年以前,世界上的物理学家都认为,粒子是由三种夸克组成的,中子是这三种夸克,质子也是这三种夸克,用三种夸克可以解释所有原子核物理的现象。我的问题是:为什么宇宙中只有三种夸克?为了求解这个“为什么”,我决定建一个高灵敏度的探测器。所以,七十年代初我设计了这个实验,实验要求的精确度是比较高的,相当于南京下雨的时候,每秒钟有100亿个雨滴,如果有一个雨滴是红色的,我们就要把它找出来,其困难是可以想见的,精确度是100亿分之一。

2011年5月16日,美国“奋进”号航天飞机从佛罗里达州肯尼迪航天中心发射升空,把阿尔法磁谱仪2送入国际空间站。这次上天,要在空间站放20年,为此,我们把原来的超导磁铁换成永久磁铁。这个永磁,是中国科学家做的。磁谱仪太大了,装不进波音747。幸运的是,美国空军首席科学家是学物理的,学物理的都知道我是谁,所以借给我们美国最大的飞机,叫C5,飞机有5层楼高,将磁谱仪运到发射中心。美国空军空运总指挥部觉得帮我们做这个实验是很大的光荣,所以他们还有一个AMS展览。

5月19日下午5点15分,实验仪器安装完毕。随后,我们花了4个钟头时间来检测这个实验,没发现任何错误,然后就开始收集数据。完了以后,宇航局安排我和天上的宇航员通话。我记得很清楚,我说的第一句话是:“你怎么头朝下?”他说:“你才是头朝下呢!”

有的科学发现属于意外收获

这个实验20多年发表了300多篇文章,有300多人获得了博士学位。主要结果可以用三句话来表达:第一句话是宇宙中只有三种不同的电子;第二句话是电子是没有体积的,它的半径小于10的负17厘米,我在开始做实验的时候证明它是小于10的负14厘米,用30年的时间还是找不到它的半径;第三句话,夸克也是没有体积的,它的半径小于10的负17厘米。我们天天用电,可是仍然不知道电子是多大。

我决定用不同的方法来测量电子半径。那时候,我刚得到博士学位,所以没有人相信我能做出这样的实验,更没有人支持我。尽管如此,1965年,我还是决定放弃在美国大学的前途,到德国新建的加速器实验室用不同的方法重新做这个实验。8个月以后,我的实验证明量子电动力学是正确的,电子是没有体积的,它的半径小于10的负14厘米。

第四个实验是在欧洲核子中心做的L3实验。这个实验从1982年一直持续到2003年。前面说过,宇宙中最基本的东西是电子和夸克,实验求解的问题是宇宙中到底有多少种不同的电子,电子能不能分成更小的粒子,再就是夸克到底有多大,夸克能不能分成更小的粒子。

丁肇中,1936年1月生,祖籍山东日照,现为美国麻省理工学院物理学教授,美国国家科学院院士,1976年获诺贝尔物理学奖,近年因领导“阿拉法磁谱仪”实验探索反物质而闻名海外。

世界只有三种夸克?

什么叫胶子?发现胶子有什么意义?我们知道原子外面是电子,里面是原子核,原子核里面是粒子,粒子里面是夸克。宇宙中有三种力,一种是引力,引力是1612年发现的,到现在为止没有人知道引力是怎样传输的。电磁力我们知道有光的传输,弱力是这两种粒子的传输,强力是由胶子传输,换句话说就是夸克中间的力是由胶子传输的。夸克和胶子是否存在,对物理学和物理学家是很重要的。怎么发现的呢?当一个电子和正电子相碰的时候会产生夸克、反夸克和胶子,当反夸克、夸克和胶子出来的时候,就变成了三个喷注,所以当你发现粒子的喷注和胶子的喷注就表示胶子存在了。

实验是自然科学的基础,如果没有实验的证明,理论是没有意义的。当实验证明了理论以后,才可以建立新的理论,这是一个很重要的观念。在过去400年里,我们对物质结构的了解,大都来自于实验物理,所以我想跟大家讲一讲我所经历的五个物理实验。

这个实验的结果是,我们发现了一个新的粒子,它具有奇异的特性,其寿命比已知的粒子长一万倍。新粒子发现以后,很快同样寿命的类似粒子也被发现。它的重要性类似我们发现一个偏僻的村子里面所有的人都是百万岁左右。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,我们把它命名为J粒子。

因为没有人相信,所以美国的宇航局就跟我说,在你没有放在空间站以前,你先把这个实验放在航天飞机上飞行10天,看看对航天飞行有没有影响。这个磁铁是中科院电工所和航天部一院一起建的,结果放上去以后飞行很成功。所以,1998年10月29日的科技日报就说,阿尔法磁谱仪首次升空运行正常,就是说经过多年的努力终于做成功了。做完这个实验以后,很荣幸到东南大学参加100年校庆,和当时的顾冠群校长签订了AMS—02的合作协议。东南大学对这个实验有很重要的贡献,第一个贡献是东南大学做了一个AMS实验系统,叫AMS—C,第二个贡献是东南大学建立了AMS—02反物质探测系统,更重要的是建立东南大学AMS—02数据分析和处理中心。

我的第四个体会是关于国际科学合作。怎样组织和领导国际科学合作?最主要的是要选科学上最重要的题目,能够引起参加国科学家最大的兴趣。对贡献大的科学家要优先认可,让他们得到国际上的公认,这样才能得到参加国政府长期的优先支持。

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