探索宇宙奧秘的丁肇中與他的中國情結 張傳軍 徐冉

轉載自《人物》雜誌2003年第4期

　　2002年秋天，中國空間技術研究院環境工程部貴客盈門。他們又迎來了當今世界最有名的物理學家、1976年諾貝爾物理學獎獲得者、美國藝術和科學院院士、美籍華人丁肇中教授。

丁肇中教授此次是第二次來到中國空間技術研究院環境工程部。早在六年前，以丁教授為首的一批科學家就利用航天飛機搭載磁譜儀對宇宙來客進行探測的太空實驗項目與中國空間技術研究院環境工程部進行了成功的合作。此次來華，將為一項規模更大的太空試驗進行討論。

近年來，以丁肇中為首的一大批科學家，一直從事探索宇宙奧秘的研究。從美國的麻省理工學院到瑞士的歐洲核子研究中心，從太平洋東岸的北美大陸到西岸的中華大地，幾乎世界的每一個重要角落都留下了丁教授的足跡。進行這項大型工程研究的目的，旨在解開宇宙之謎。

宇宙起源於大爆炸嗎?

迄今為止，科學研究已經確信，宇宙起源於大爆炸。丁肇中教授正領導着包括中國在內的十六個國家的科學家進行名為AML－3的試驗，目的是模擬宇宙大爆炸的最初形態。他希望這一試驗有助於尋找宇宙大爆炸最初時刻質量的來源，從而有助於解開宇宙之謎。

對於這次試驗能否取得重要成果，丁教授認為，解開宇宙奧秘不是短時期能辦得到的，他相信在21世紀的前二三十年裡，人類在探索宇宙奧秘方面會有重要的突破。他們正在進行的研究，無疑是為這種突破做準備。

AML－3實驗模擬宇宙的形成，也就是大爆炸，要創造這種條件，模擬宇宙開始時的情形。因此，丁教授正在帶領十六個國家的數百位物理學家，在日內瓦的歐洲核子研究中心夜以繼日地工作着，全世界的物理學家都在期待着他們。人們相信，不久的將來會從這裡傳出震驚世界科壇的喜訊。

到目前為止，丁教授領導的這次實驗無疑是世界上最大型的獨一無二的試驗。已在日內瓦歐洲核子研究中心建成全世界最大的正負電子對撞機，簡稱為 LEP的巨型粒子加速器，其能量高達1300億電子伏特，它相當於一個城市所使用的電力，讓正負電子在1億分之一秒的時間裡碰撞。

LEP離子加速器的外形是一條長達27公里的環行隧道，它跨越瑞士和法國兩個國家。位於地下50米至170米之間。這條隧道的建設吸引了美國、日本、中國等世界上許多國家的參與。

目前，歐洲核子研究中心正在建造世界上能量最高的大型強電子對撞機LHC。LHC利用最先進的超導磁鐵和加速器技術，以獲得高能量和高性能束流，研究理論預言的物理問題。根據設計，它能夠讓質子以每秒4000萬次的頻率相互碰撞，從而使質子發生爆炸，形成新的粒子。物理學家們期望能夠藉此發現黑格斯粒子等其他新粒子和新現象，了解物質在極小狀態(10的負18次方米)時的結構組成和法則，並最終揭示宇宙形成的秘密。這一項目計劃於2006年建成，建造經費5億瑞士法郎(約18億美元)，美國、日本、法國、瑞士、俄羅斯、印度、加拿大等國都有經費投入。

歐洲核子研究中心的地理位置

在瑞士和法國南部交界的阿爾卑斯山腳下，就是舉世聞名的物理學研究機構———歐洲核子研究中心。該中心位於日內瓦的近郊，乘車不足1小時就是世界各主要機構雲集的國際城市———日內瓦。CERN(歐洲核子研究中心)目前也是世界上最大的粒子物理研究中心，擁有20個成員國。在CERN工作的3000餘位科研人員，來自80多個國家和地區的500多個研究機構，他們從事着物質的基本結構和其基本相互作用的研究，目前世界上的高能物理試驗，約有一半是在這裡完成的。此外，CERN也在先進技術教育和年輕人才的培養方面發揮着重要作用。

CERN有一個頗具規模的科普展覽館。對於一般觀眾來講，核子物理的確過於深奧，似乎與我們的日常生活毫不相干，可是凡是來到這裡的人都可以親身體驗與高科技的親密接觸，感受科學的魅力所在。

中國科學家的重大貢獻

自從1978年以來，先後有一百多名中國物理學家和研究生到丁肇中教授領導的實驗組工作和學習。在他的領導和幫助下，中國科學家在L－3探測器的設計、創造和數據分析中都發揮了重要的作用。目前，他們正把L－3實驗用的大型磁鐵L3－C實驗室，用於尋找宇宙中未知的重質量粒子。我國政府也在20世紀80年代與CERN建立了良好的合作關係。1999年4月，國家自然科學基金委員會與科技部、中國科學院正式立項並共同集資1400萬元支持這裡的兩個大型研究項目：CMS和ATLAS項目。日前，中科院高能物理研究所的科學家參與了歐洲核子中心的ALEPH、CMS、L3和L3－C等多項科技合作項目。這些國際合作項目，使我們的科學家可以採用國際最先進的設備和技術，進行科學研究，有助於培養我國年輕一代科學家迅速達到國際前沿水平。這也是中國高能物理學家帶着自己的物理思想參加，並在各方面有實質性貢獻的大型國際合作項目。同時也使得我們的工程技術人員有機會參與製造這些大型試驗設備。1998 年在丁肇中教授的阿爾法磁譜航天儀航天實驗中，中國承擔製造的永磁鐵就經受了嚴峻的考驗。現在，由中國人製造的高能物理試驗設備已經得到了國際的認可，在未來的太空實驗中，必將有更大的貢獻。

“我是中國人，我要用漢語發表演說”

丁肇中教授時刻都把自己的祖國———中國科學事業和經濟發展放在心坎上，因為在他的血管里流的是中國人的血。 1936年1月27日，一個大頭的男孩在美國密執安州安亞柏市一所醫院裡降生了。他便是第3位獲得諾貝爾獎的華裔科學家丁肇中。

他雖然出生在美國，可在12歲以前的歲月是在中國大陸度過的。丁肇中的祖籍是山東日照縣，父親丁觀海，母親王雋英，他們都是高級知識分子，出身書香門第。他在談及自己的身世時，曾十分詼諧地描述了他誕生在異國他鄉的由來，“我在第二次世界大戰時，出生於一個主要由教授和革命志士組成的家庭，我的父母親都希望我出生在中國，但在他們訪問美國時，我提早出世，由於這個意外，我成為了美國公民。這個突如其來的小插曲卻也影響了我的一生。”

丁肇中的祖父丁惟汾早年追隨孫中山先生從事民主革命活動，曾東渡日本，在日本參加了同盟會。回國後，積極投身推翻清朝統治者的革命鬥爭。袁世凱稱帝時，丁惟汾痛斥袁世凱倒行逆施的行為，並聲稱“頭可斷，革命之志不可奪!”

丁肇中的外祖父王以成早年留學日本，學習土木建築專業，受革命思想影響，經丁惟汾介紹加入同盟會，1911年武昌起義後，王以成積極組織革命武裝參加反對清朝統治者的戰鬥。在一次戰鬥中不幸被俘，他堅貞不屈，拒不投降，被敵人慘無人道地砍成數塊。王以成犧牲後留下女兒王雋英。

丁惟汾的兒子丁觀海30年代初到美國密執安大學學習土木工程，隨後王雋英也到美國，攻讀教育心理學，後來，兩人分別獲得碩士學位。由於兩家是世交，從小相互熟悉，在異國他鄉他們結為伉儷。正當他們學業有成，準備回國時，王雋英懷孕了，似乎要提早臨產。丁觀海夫婦本想讓第一個兒子出生在祖國，因恐怕在歸國途中分娩，只好修改計劃。他們決定丁觀海先走，王雋英分娩後再回國。

丁肇中雖然沒有見過祖父和外祖父，但是父母經常和他談及過去，特別是在奶奶無微不至地照料下，幸福地生活過四五年，奶奶那種堅不可摧的氣質、樸實無華的高尚品格，祖輩的英雄氣概，潛移默化地影響着丁肇中的品格和作風。數十年後，丁肇中獲得了1976年的諾貝爾物理學獎。在授獎儀式前，丁肇中提出用本國語言發表演說的要求。他說：“我是中國人，要用漢語發表演說。”會議主持者要求他用英語演說。雙方僵持不下，最後達成協義：丁肇中的獲獎演說先用中文，後用英文。

母教啟發了他活躍的思維

丁肇中的幼年時期是在嚴酷的抗日戰爭中度過的。

當丁肇中剛滿3個月時，他的母親，便登上了回國的輪船，她懷裡抱着幼子，忍受着驚濤駭浪顛簸的苦楚，終於回到祖國的懷抱，來到丈夫身邊。當時，丁觀海正在河南省焦作市的一個工學院裡任教。

兵荒馬亂，哪能久留他鄉。不久，他們一家三口回到自己的家鄉日照，轉眼日本侵略軍把戰火燒到了日照。他們只好開始往南方逃難，當他們來到安徽省的蕪湖市，丁肇中的弟弟丁肇華出生了。這時一家四口又逃到南京，南京又朝不保夕。這對年輕的夫婦萬般無奈，只好扮成農民，一個人背一個孩子，經過3個多月的奔波，來到漢口，後來乘船來到重慶，丁觀海教書，王雋英擔任一個學院的女生指導。

丁觀海一家人在重慶住下後，生活雖然清苦，但比起流亡生活總算好多了。過了幾年，丁肇中到了上學的年齡，他穿上新做的學生裝高高興興地隨媽媽去附近一所小學報到註冊。

上學是人生一個新的開端，但丁肇中卻好景不長，他只上了幾天便不敢上學了。

當時中國空軍的力量薄弱，儘管重慶是大後方，仍然受到日本空軍的轟炸和掃射，經常發生小孩上、下學時被炸殘或房屋倒塌砸殘的事情。丁肇中的父母實在不放心，便決定不讓丁肇中上學了，在家中由他母親親自教課。

由於教學過程是在母子之間進行的，因此，丁肇中感到親切和自由，他可以隨心所欲地提出問題，也可以從不同角度去回答問題，這對丁肇中的思維方式和學習方式有極大影響。後來丁肇中回到正規學校學習，由於思維活躍，經常提出些“怪”問題，而使老師頭痛，被老師看成是調皮學生。

在重慶，由於父母從事教育工作，來訪的客人不是大學生就是教授，很多是有真才實學的學者，他們來訪時經常與丁觀海討論各種自然科學方面的問題和研究治學的方法。天長日久，耳濡目染，年幼的丁肇中從中似乎也悟出點什麼道理來。在獲得諾貝爾獎後寫的自傳中，他曾專門提及這段往事，“由於戰爭的原因，我直到12歲才受到傳統教育。然而，我的父母一起在大學任教，因此，使我有機會接觸到許多經常來訪的有才智的學者。也許由於這個早期的影響，我一直有從事研究的願望。”

丁肇中最初的學習興趣不是物理

正如丁教授在自傳中說到的，丁肇中全家搬到台灣時，他已經12歲了。他的母親想讓他報中學一年級，可是一看課程表，這才發現丁肇中沒有上過正規小學，許多課程沒有學過。小時候基礎知識不打好，對將來的學業很有影響。王雋英是研究教育的，對這一點非常清楚，她決定讓丁肇中留一級，再讀一年小學六年級。

初到台灣的時候，丁肇中一家在台中住了一段時間，不久全家就搬到台北市。丁肇中先考入成功中學，在那裡讀到二年級，後來又轉入建國中學，直到高中畢業。

在中學丁肇中受到良好的教育，通過考試他進入台北最好的中學，學校又是按學生的能力和程度編班，他又被編到了最好的班級。這個學校的老師很出色，特別是教幾何、中國歷史、英文和化學的老師尤為出色。丁肇中最有興趣的是中國歷史，看了以後就可以記下來，考試時候總能考100分。

可他為什麼又對物理感興趣呢?最後為什麼選擇物理呢?就是因為物理比較容易理解，所謂興趣就是因為很容易。並且他很快意識到在歷史學中尋求真理比在自然科學中尋求真理要困難得多。因此他在物理和化學的學習中投入很大的精力，他的興趣也集中於這方面了。

丁肇中讀書非常投入，外界的干擾對他幾乎不起作用，夏天大雨傾盆，雷聲隆隆，只要他專心讀書就什麼也聽不見，真是“雷打不動”。丁肇中非常愛惜時間，他總是把一天的時間安排得有條不紊。中學期間很少看電影，他認為看電影是時間和金錢上的浪費，特別是時間，那是浪費不起的。每到晚上，丁肇中便和幾個要好的同學一起去附近的師範大學圖書館念書，那裡有很好的學習氣氛，又很安靜，一直到圖書館關門後才回家，這樣日復一日地用功，丁肇中在班級中成績首屈一指。每次班裡同學們為習題爭辯不休時，總是找來丁肇中，只見他搖擺着大腦袋，把問題解釋得一清二楚，同學們無不佩服讚揚道：“丁大頭的大頭裡可盛着不少才華和智慧啊!”

丁肇中以優異的成績畢業了，學校決定保送他進台灣成功大學，但是丁肇中心氣比較高，他希望能進台灣的清華大學或台灣大學。丁肇中決定放棄保送參加聯考。儘管他作了周密的準備，但是天有不測風雲，他還是被成功大學機械工程系錄取了。這對丁肇中來說，無疑是一次不小的打擊，但是丁肇中從祖輩那裡傳下來的性格就是不怕失敗，他很快就把情緒調整過來了，因為他有更大的目標，他並不想在機械工程方面發揮什麼作用，他的興趣在物理和教學方面。

20美元的挑戰

丁肇中的家庭生活並不富裕，他去美國時家裡只能給他帶上100美元。

丁肇中剛到密歇根大學的時候20歲，語言並不是特別通，有時上課聽不懂，就睡着了。但是經過後來的努力，他很快適應了環境，他用3年就完成了別人 4年才能完成的大學課程，並且拿了數學和物理兩個學士學位。丁肇中到美國5年的時間就走完了大學和研究生的道路。別人要花5年時間才能拿到的博士學位，他兩年就拿到了。

有了堅實的基礎，丁肇中開始向新的高峰衝擊。選擇什麼作為科研的主攻方向，他頗費了一番腦筋。丁肇中做博士論文時曾在蒲爾教授手下做過一些實驗，已經顯示他在實驗物理方面很有才能。蒲爾教授勸告他從事實驗物理方面的研究工作。丁肇中卻在實驗物理和理論物理之間猶豫不定。

喬治爾倫伯克教授是著名的實驗物理學家，丁肇中想聽聽他的意見。老教授勸他從事實驗物理工作，因為在實驗中任何新的發現都是很重要的貢獻，而工作則要在很多實驗的積累下才能產生；如果想作一個理論物理學家，一定要極出色才行。聽了老教授的一席話，丁肇中反覆思考了自己的實際情況，他決心從事實驗物理工作。

他曾師從吳健雄和楊振寧，又到西歐核子研究中心，在柯可尼手下工作，這些經歷使他的實驗技能有了長足的發展。為了創造出更多的學習機會，丁肇中又從西西里大學匆匆回到哥倫比亞大學。這時，他從科學文獻中得知一個消息，有好幾個很有名的物理學家通過實驗發現了有違反量子力學的事實。丁肇中並不同意這些人的看法，他自己準備重新實驗。他拿着制訂好的實驗計划去請教李昂德黎曼教授，李昂德黎曼教授是當時一流的物理學家，他勸丁肇中不要在這個問題上耗費青春年華，因為這個實驗花費3～4年的時間也難以得出結果，但丁肇中認為只需一年的時間就可以證實。李昂德黎曼教授搖頭不已，否定了丁肇中的計劃，雙方爭執不下。李昂德黎曼教授以20美元作為賭注，向丁肇中挑戰，如果他能在短時間裡做出實驗，他給丁肇中20美元。丁肇中接受了挑戰，他對此是很有把握的。

在半年之內丁肇中就完成了他所設計的實驗，糾正了這些物理學家的錯誤。李昂德黎曼教授自然也輸了20美元。人們開始注視這位年輕物理學家了。

丁肇中對未來充滿了必勝的信心。當時他在寫給父親的信中就說道：“爸爸，未來的10年我將有希望獲得諾貝爾獎。”

獲得諾貝爾獎

1969年，丁肇中在美國馬薩諸塞理工學院物理系任教授。1970年擔任美國物理協會粒子和場研究項目顧問，並任《核物理通訊》副主編。1974 年以他為首的一批物理學家，在美國紐約州長島的布魯克海文實驗室從事觀察兩個質子碰撞後產生的電子對的研究，其目的是希望搞清某些基本粒子的電磁力性質。他們在實驗中發現，當能量上升到31億電子伏特時，測量到的電子對數成倍上升。這時他們開始意識到可能是發現了一種新的粒子。經過500次測量，這個新粒子的特點是：它的能量很大，較其他重粒子的能量高出約100倍，而它的質量為質子的3倍多一點。此外，它的壽命又十分長，大約10～20秒等，這些特點構成了它具有當時已發現的300餘種基本粒子的特殊性。

為了紀念丁肇中為首的電磁力探索的這一新發現，把這個新粒子命名為丁粒子，這裡因為英文大寫字母J與漢字的字型上相似，故稱為“J”粒子。兩年後，丁肇中獲得諾貝爾物理學獎。

在北京，丁肇中教授生動形象地重新描述了當年獲得諾貝爾獎的這一重大發現。第一，理論上所有人都認為沒有這種非常重的粒子。第二，那個實驗要有非常靈敏的精確度，比方說，北京下雨的時候，有十億個雨點，有一個是紅的也要把它找到，最初該項實驗報到實驗室，卻被拒絕了。為什麼這個實驗重要呢?它有特別的性能，找到粒子後，就找到一個家族，跟它相似的一個家族。這個家族的特點是什麼?第一，它比較重，比所有粒子重3倍，更重要的是這個家族的壽命比所有粒子長一萬倍，什麼意思呢?比方說，世上所有的人通常都活100歲左右，但是你忽然找到一個村莊有人活十萬歲，這表示這些性能和別人不一樣，這是比較重要的實驗。J粒子發現後，各國報刊紛紛發表評論，中國報刊也對這次重大發現表示由衷的盛讚，認為這個發現對人類認識微觀世界具有重大意義。

關於這次太空實驗

人們已經知道，約在50億年前宇宙誕生時產生了大體相等的物質和反物質，那麼現在這些反物質到哪裡去了呢?一種解釋說宇宙的某些地方存在着由反物質組成的星系；還有一種解釋說宇宙誕生時產生的物質比反物質多了一點，物質與反物質相互湮滅後，剩下的物質就構成了現在的宇宙。由於科學家日前對反物質了解非常少，因此對宇宙誕生和演化及物質世界構成等問題很難深入研究，為了探索反物質之謎，科學家們採取了兩種途徑，一是在自然界中尋找反物質，研究反物質的自然狀態；二是在實驗室中製造反物質，從更多的角度研究反物質。

日內瓦的歐洲原子能研究中心的一個小組，最近宣布，他們的反物質研究取得重大突破，首次製造出了大批反物質。顧名思義，反物質就是普通物質的反狀態。當正反物質相遇時，雙方互相抵消，發生劇烈爆炸，產生巨大能量。該小組指出，他們已經製造出50000個原子的反氫，也就是普通氫的反物質。

丁教授領導的實驗小組，目的是在自然界中尋找反物質，研究反物質的自然狀態。

1998年已經完成了利用航天飛機搭載AMS—01阿爾法磁譜儀的太空試驗。這次太空試驗是在國際空間站上，離地球4200多公里，沒有大氣存在的環境中進行的。

2003年上半年，將用航天飛機搭載AMS—02阿爾法磁譜儀進行一次更大規模的太空試驗，中國空間技術研究院、中國運載技術研究院和中國科學院高能物理研究所的科學家們將參與這一試驗。

人們企盼着包括中國科學家在內的以丁肇中教授為首的科學家們能夠在科壇上再創佳績。

　　人們企盼着，丁肇中教授再次衝刺諾貝爾獎。(轉載自《人物》雜誌2003年第4期)