丁肇中:沉浸于实验物理的“狂人”

2024年度的科学界热词中,J粒子一定拥有“姓名”。50年前,丁肇中发现J粒子,两年后获得诺贝尔物理学奖。如今,88岁高龄的丁肇中还活跃在科研一线。他没有退休,仍是一个超大型国际合作项目阿尔法磁谱仪(AMS)的首席科学家。

AMS实验是他在耄耋之年仍全身心投入的唯一工作。每天早上7点起床,一直工作到晚上七八点,不分周末,极少社交。若想理解丁肇中,唯一路径就是理解他的物理世界。

结缘物理,没听妈妈的话

1936年1月27日,丁肇中在美国密歇根州安娜堡州立大学医院里降生,早产了两个月。父亲丁观海和母亲王隽英原本希望他出生在中国,但还未回国,他就提早出世,用丁肇中的话说,“意外”成为美国公民。

出生3个月后,丁肇中回到中国。正逢日军侵华,一家人颠沛流离,九死一生。

从山东日照辗转到重庆落脚,日本人的轰炸,几次打断了他的上学路。即便在家,父亲也常常向他讲述法拉第、牛顿、爱因斯坦和冯·卡门等科学家的故事。在父亲的熏陶下,丁肇中幼小的心底萌生了成为一名科学家的想法。

“战争的好处是,我可以不必上学。”丁肇中这样诙谐地形容童年时光,逃课、避难、爬树、站在码头上朝日本军舰扔石头。

上大学以前,丁肇中跟粒子物理唯一的关联,就是听新闻讲到日本广岛和长崎的时候问爸爸,“什么是原子弹?”

回忆最初零散又匆忙的求学经历,丁肇中很感恩家庭教育,“我的父母从来不管束我,而总是激励我的兴趣,他们从不强求子女在学校中得到好分数。”

1956年9月,丁肇中开始了在美国密歇根大学的艰苦学习。

一开始他选了机械工程专业,身为土木工程学教授的父亲也特别支持儿子从事工程学研究。但老师说丁肇中学不来工程,因为他画的直线总是不直。他也想过学历史,但当他发现改朝换代第一件事就是修改史书,就知道自己也学不来这个专业。

决定转学物理的时候,丁肇中告诉了母亲。母亲委婉地反对:“学物理,要特别有天分的人才可以。”他的回答很干脆:“我在世界上只走一次,应该照自己的兴趣去做。”

投身实验,“大闹物理天宫”

科学世界里,丁肇中常常是那个“把多数推翻的极少数”。他采取的方法很简单,就是实验。实验既是他的基本价值观,也是方法论。

起初,丁肇中的研究方向是理论物理。转向是因为他的导师乔治·乌伦贝克随口感慨的一句话:“一个平庸的实验物理学家也很有用,因为每一次实验测量都有意义。但是一个平庸的理论物理学家,什么都不是。整个20世纪对物理有贡献的理论物理学家,你用手指都能数得出来。”

就这样,丁肇中毅然投身于实验物理。

丁肇中的物理生涯可大致概括成6个主要阶段,J粒子的发现是第三个阶段。J粒子的发现如一枚石子抛进一泓平静的池水,让物理界沸腾了。

目前的结论是,夸克是构成自然界基本元素最小的不可分割单元。一直以来,物理学家之间流行的说法是,粒子就像洋葱,剥掉一层之后,下面总会有另一层。

20世纪50年代至70年代,人类只发现了3种夸克。丁肇中觉得很奇怪,为什么没有第四种、第五种?

然而,要想寻找新的夸克,难度极大,丁肇中自己形容“相当于北京下雨时,要在每秒钟的100亿个雨滴中找到一个不同颜色的雨滴”。

1974年11月11日,得益于严谨的实验设计和实验室的全力支持,丁肇中果然发现了第四种夸克的存在,他把由第四种夸克组成的新粒子称之为J粒子。J粒子的发现令全球物理学界激动,被称为“11月革命”。

1976年12月10日,在诺贝尔奖颁奖典礼上,丁肇中先是用中文,后又用英文发表了因发现J粒子而获得诺贝尔物理学奖的演讲:“得到诺贝尔奖,是一个科学家最大的荣誉,我是在旧中国长大的,想借这个机会向在发展中国家的青年们强调实验工作的重要性……”

科学狂人,把多数推翻的极少数

时至今日,这位实验物理学家一直在一线做实验。这次,丁肇中把实验的舞台搬到了天上。

时间倒回到1994年,丁肇中做出了一个重大决定。他选择去做AMS实验,把一块“磁铁”放进遥远的太空,用来研究宇宙射线的特性和起源,特别是寻找暗物质和反物质。

虽说丁肇中的每次实验都曾遭到很多人的反对,但AMS遇到的阻力最大。丁肇中自己总结:“这是我做过的最复杂、技术上最具挑战性的实验。”同时,将磁谱仪送入太空,在丁肇中之前,从没有人敢这么想。

此后数年,波折不断。丁肇中一边进行实验准备,一边游说政府官员。终于,2011年5月16日,美国国家航空航天局“奋进号”航天飞机载着AMS-02探测器正式升空。

“自然科学的发展是多数服从少数,只有极少数人把多数人的观点推翻后,科学才能向前走。”这是丁肇中常挂在嘴边的一句话。过去100年里的宇宙线测量误差极大,而AMS提供的宇宙线测量结果误差度小于1%。

太空中的AMS仍在回传数据,地球上的丁肇中仍在物理和人生之间穿梭,没有一点要退休的意思。

微尘深处穷真理,银河漫卷写此生。

丁肇中的物理,让他永远年轻。

(作者系山东省日照市科技馆馆长、研究馆员)

原标题:丁肇中:沉浸于实验物理的“狂人”

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