傳奇-38

1948年，像費曼、施溫格和朝永振一郎在計算量子電動力學的時候有一個重要的前提，也是非常重要的假設，那就是電子是沒有體積的。但是後來這個假設遭受到一個挑戰。60年代初期哈佛大學有一個組，這個組的主持人叫弗蘭克，這個弗蘭克是個很有名的科學家。他做了一個測量電子半徑的實驗，發現電子是有半徑的，半徑在10^-13厘米到10^-14厘米之間。沒過多久，康奈爾大學另外一個很有名的實驗團隊也發現同樣的結果。兩個不同的實驗得到同樣的結果，這就麻煩了，這要挖量子電動力學的地基了。

這時候有一個年輕人就到了德國，他在美國剛剛讀了個博士學位，正好拿到了福特基金會獎學金，之後他就來到了歐洲核子研究組織工作。他在想是不是能再次測量電子的半徑，在瑞士日內瓦他顯得有點孤零零的，因為只有他一個人想搞這個實驗，最後他決定問問美國同行看看那邊有沒有什麼機會回美國，看看能不能得到什麼幫助。美國人回復道來我們這裡搞可以，不過醜話說在前頭，沒錢給你，因為你從來沒有做過實驗，別人也不了解你，所以不能提供經費支持。後來他又去問德國人，德國人說行啊，你來吧，我們給你錢。而且當時德國的加速器規模還很大，所以這個年輕人去了德國漢堡的德國電子同步加速器研究所。

德國電子同步加速器研究所

這個人叫丁肇中，原籍是山東日照。他父母都是教師，父母去美國講學的時候他母親意外早產了，就生下了丁肇中。原本想回國內生，沒想到直接就生在了美國，因此丁肇中是意外獲得美國入籍資格的。長大以後他就在美國求學，博士畢業以後到了歐洲。他的第一個重要的實驗就是這個測量電子半徑的實驗。他打算怎麼測呢？對於一個不規則的圖形要怎麼去測量它面積呢？如果毛估一下的話可以均勻的撒上一堆的小豆子，數數落在圖形裡面的有多少，落在外面的有多少。對比一下就把比例給算出來，那麼就可以大致算一下不規則圖形的大小，而測量質子中子的半徑，基本上也都是這個辦法。

丁肇中

我們測量質子之類的核子的大小，通常都是拿電子當做炮彈去轟擊質子。先用電子狂轟亂炸一波，然後數一下什麼都沒碰上的電子有多少，再數數被彈出來的電子有多少，計算一下碰上和沒碰上的概率就可以大約估算一下粒子的直徑了，當年發現原子核用的也是這個辦法。但是電子本身太小了，不能拿別的粒子來轟擊電子，通常都是拿電子轟別的粒子。要測量電子體積就必須另外想一個辦法，辦法就是只能還拿電子去轟擊別的粒子，看看電子如何被反彈出來，這樣也可以反推電子直徑。

丁肇中去了德國，在德國埋頭搞了8個月，終於把這實驗給搞出來了。在20G電子伏特下測的電子半徑小於10^-15厘米，而在60G電子伏特下測得電子半徑要小於10^-16厘米。反正電子伏特數越高，能量越大，結果測量的數值就越小，當然了也可以理解為測量結果越準確。按照丁肇中自己的講法是找不到電子半徑的，可是電子通常有個概念叫「經典半徑」，這是根據經典力學和相對論計算出來的半徑，與量子力學關係不大。

在宏觀世界裡任何東西都是有明確邊界的，摸摸桌子握著手機，都是硬邦邦，明確有邊的，但是在微觀世界卻不是這樣。我們觸摸到的所有感受都是電磁力的相互作用，電磁相互作用是按照平方反比規律在衰減，人們沒辦法找到一個明確的邊界來劃分電子的半徑究竟在哪。丁肇中用實驗的辦法確定了電子最起碼不會比10^-16厘米要大，甚至還要小得多，最大也就這麼大了。更重要的是現在的理論認為電子啊夸克啊都是沒有結構的，是不可再分的，它們屬於基本粒子，如果它們可以再分，那麼必定有內部結構，質子、中子是有內部結構的因此它們是有半徑可言。這個半徑也就是內部的基本粒子相互作用的範圍，差不多我們就認為這是質子、中子的直徑、半徑、體積，其實都是一回事。

有了這個實驗結果，量子電動力學就算是穩住了陣腳，這是丁肇中第一次嶄露頭角，第一次實驗就顯示出了他在實驗物理方面的鋒芒。他後來講述這段歷程的時候提到了他的感想，他說：「不要盲從專家的結論。我沒有做實驗以前，都是世界級的專家在做這個實驗。」當然我們知道現在心靈雞湯已經夠多了，聽這些話也已經審美疲勞了。不過聽歸聽，但是真要做到那還是很難的。

第二次丁肇中大顯身手的時候困難就大多了。當時已經提出了夸克理論，當時有三種夸克-上夸克、下夸克、奇異夸克，物理學界普遍認為奇異夸克應該還有個夥伴，這都是一對一對的好基友，是不能缺的，他們起名字叫」粲夸克「。不過這個粲夸克不太好找，夸克只存在於強子內部，在外邊可沒有，只有把強子撞開才能看到這些基本粒子，而且還非常難檢測，都是稍縱即逝。布魯克海文國家實驗室，還有斯坦福的加速器都在尋求高能量級別的實驗。實驗檢測與設備也必須有很高的靈敏度，否則那些稍縱即逝的微小粒子是沒法子被發現的。所以這個實驗的過程是相當艱難的。他後來回憶，1972年美國布魯克海文國家實驗室就接受了他們的實驗請求。為了能從100億個已知粒子中找到一個新的粒子，這個實驗有幾個要求：1、必須每秒鐘輸入100億高能量的質子到探測器上，在這麼多的質子輸入探測器所產生的放射線會徹底破壞探測器，而且對工作人員也是非常危險的。2、必須發展全新的、非常精確的、在非常高的放射線下能正常工作的全部儀器。3、必須設計安全的屏蔽系統，屏蔽系統要保護外面人員的安全。要保證100億個質子在裡面安全運行就要用到5噸的鈾238，100噸鉛，最後還用了5噸肥皂。肥皂是個非常特別的實驗器材，沒聽說過哪個實驗需要肥皂的，丁肇中就用到了，主要作用是防止中子輻射的。

夸克家族

這種大海撈針一樣的實驗周期不短，人員也不少，一干就是兩年。他們就發現了一個壽命特別長的粒子，比別的粒子壽命長10000倍。這種新粒子的發現，就證明了宇宙中有新的物質存在，它們是由新的夸克組成的，丁肇中把它命名為J粒子。有人說丁肇中的姓氏是」丁「，這個大寫的」J「長得很像」丁「。要這麼說呢，也不能說錯，的確長得像，但是人家當初不是這麼想的。當時看到前一個字母K已經用過人，有K介子，那就順著往下排算了。而且J可以代表很多的物理含義，比如電流、光都可以用J代表，這是個很不錯的選擇。

就在丁肇中他們宣稱發現新粒子的同一天，遠在加州那邊的斯坦福加速器也傳來好消息。領頭的叫李克特，李克特他們聲稱發現了了一種ψ（浦西）介子。兩邊的實驗團隊都嚇了一跳，這也太巧了吧，兩邊的人一溝通，你們發現的這個粒子是啥特性啊？怎麼怎麼樣的數據。兩邊最後傻眼了，這分明就是同一種粒子嘛，這撞車撞這麼厲害，隔那麼老遠同一天發現同一種粒子，這也太巧了。但是叫誰的名字比較好呢？大家覺得隨便叫哪邊的名字都對另外一方不公平，因此最後叫做」J/ψ 粒子「。兩個名字混著來，不過我們中國人肯定喜歡叫」J粒子「嘛，畢竟比希臘字母簡單。

J粒子的存在，跟粲夸克是有直接關係的，基本上也就抓到了粲夸克，但是兩個團隊都並不是本著粲夸克來的，都是大海撈針一樣碰上了。後來因為這個成就丁肇中和李克特分享了1976年的諾貝爾物理學獎，還有美國政府的勞倫斯獎。

更可貴的是，丁肇中在獲得諾貝爾獎的領獎台上，用的是中文發言。這是第一次有中文出現在了諾貝爾頒獎現場。他說得到諾貝爾獎，是一個科學家最大的榮譽。他是在舊中國長大的，因此想借這個機會向青年們強調實驗工作的重要性。中國有一句古話：勞心者治人，勞力者治於人。這種落後的思想，對在發展中國家的青年們有很大的害處，由於這種思想，很多發展中國家的學生們都偏向於理論的研究，而避免實驗工作，丁肇中的意思就說這是不對的，應該重視實驗工作。後來丁肇中在回憶這一段的工作的時候，他也很感慨。要對自己有信心，做你認為正確的事，不要懼怕困難，不要因為大多數人的反對而改變。同時他也對領導說，決策機構要給優秀的年輕人機會。

丁肇中在實驗物理學家之中，那是猶如神一般的人物，因為他參與的大型實驗就沒有失敗的。所以在美國，他說話非常有分量。到70年代末，我國開始打開國門與世界接觸，然後由唐孝威帶隊，我國的一個科學家小組來到了德國電子同步加速器實驗室，參加了丁肇中的MARK-J實驗，就是最先丁肇中搞電子半徑的那個實驗室。這個實驗室還在找電子半徑，看看能不能搞得更加精確。丁肇中的實驗團隊是好多國家的科學家共同組成的，在實驗過程中發現了膠子。以前講過，電磁力是交換虛光子產生的，因為光子是壽命長，跑的遠也沒關係，因此電磁力作用距離很遠。但是原子核裡面的強力就不一樣了。夸克間的作用力，就是靠傳遞膠子來完成的。膠子、介子這種普遍壽命都短，因此跑不了多遠就不行了，因此強力是個短程力，範圍很小。

唐孝威

現在有一個奇怪的問題擺在面前了，一個質子是是三個夸克組成的，夸克之間是靠膠子的傳遞強相互作用的，把大家黏在一起。可是這三種夸克很輕，膠子根本沒有質量，加起來離質子的總質量差的遠呢，加上希格斯機制產生的質量，也是微乎其微。剩下95%的質量跑哪去了？答案其實是能量！剩下的質量其實是由蘊含的能量表現出來的，能量和質量是一回事。最近科學家們用超級計算機模擬了質子、中子、原子核裡面的狀況，夸克和膠子的移動與相互作用是質量的大部分來源，從側面驗證了愛因斯坦的質能方程的正確性。已經過去100多年了，但是用量子色動力學來詮釋質能方程總是遇到困難，現在這事總算是搞定了，知道E=mc^2是怎麼來的。

後來我國的科學家還參加了歐洲核子研究組織的L3工作。L3這個加速器軌道長27公里，是正負電子對撞，能量高達1300億電子伏特，目標是模擬宇宙大爆炸的狀況。溫度是太陽表面4000億倍，也是宇宙誕生最初的1000億億分之一秒時的溫度。用的磁鐵是1萬噸，探測器包括300噸鈾，鈾均來自蘇聯，要知道蘇聯玩核武器還是很厲害的。丁肇中是總負責人，這個項目由14個國家的460多位物理學家和600多位工程技術人員參加的實驗，一共有４個巨型探測器，這些探測器不僅物理設計構思複雜新穎，而且好多所需的原材料都沒有成品，必須自己做。為確保實驗成功，丁肇中從領導科技人員研製探測器開始，便年復一年地在世界各地奔波，因為實驗儀器都是在全世界各地做出來的。

探測器設計出來以後，丁肇中和他的合作者們首先遇到一個大問題，就是需要大量的鍺酸鉍晶體，這鍺酸鉍晶體從哪裡來？當時丁肇中了解到前蘇聯有氧化鍺，中國有氧化鉍，上海硅酸鹽研究所有可能研製出大量BGO晶體。BGO就是鍺酸鉍晶體，他當即飛往前蘇聯帶上一堆氧化鍺，然後再飛到上海，就直接幫助硅酸鹽所研製出大量合格的BGO晶體。又如L3實驗用的μ子探測器，它的主要部件是在美國的波士頓製造，激光校正系統在瑞士製造，強子能量探測器則由前蘇聯、中國和美國科學家共同設計。在它們研製過程中，丁肇中也傾注了大量心血。到最後L3實驗一共發表了271篇文章，有300人獲博士學位。實驗結果可以用三句話來表達：

1、宇宙中只有三種不同電子。

2、電子是沒有體積的，電子半徑小於10^-17厘米。

3、夸克也是沒有體積的，夸克半徑小於10^-17厘米。

這是最簡單的答案了，但顯然那200多篇論文不可能只說這麼少的內容，這只是簡而言之。他們現在又在搞一個超大規模的加速器實驗，這27公里的軌道不能白費，而且提出貝爾不等式的那個貝爾，他當時也在歐洲核子研究組織工作。這一天有個學生開著車，興沖沖從巴黎趕來找貝爾。他是誰呢？請看下回分解。

推薦閱讀：