探索宇宙奥秘的丁肇中与他的中国情结 张传军 徐冉

转载自《人物》杂志2003年第4期

　　2002年秋天，中国空间技术研究院环境工程部贵客盈门。他们又迎来了当今世界最有名的物理学家、1976年诺贝尔物理学奖获得者、美国艺术和科学院院士、美籍华人丁肇中教授。

丁肇中教授此次是第二次来到中国空间技术研究院环境工程部。早在六年前，以丁教授为首的一批科学家就利用航天飞机搭载磁谱仪对宇宙来客进行探测的太空实验项目与中国空间技术研究院环境工程部进行了成功的合作。此次来华，将为一项规模更大的太空试验进行讨论。

近年来，以丁肇中为首的一大批科学家，一直从事探索宇宙奥秘的研究。从美国的麻省理工学院到瑞士的欧洲核子研究中心，从太平洋东岸的北美大陆到西岸的中华大地，几乎世界的每一个重要角落都留下了丁教授的足迹。进行这项大型工程研究的目的，旨在解开宇宙之谜。

宇宙起源于大爆炸吗?

迄今为止，科学研究已经确信，宇宙起源于大爆炸。丁肇中教授正领导着包括中国在内的十六个国家的科学家进行名为AML－3的试验，目的是模拟宇宙大爆炸的最初形态。他希望这一试验有助于寻找宇宙大爆炸最初时刻质量的来源，从而有助于解开宇宙之谜。

对于这次试验能否取得重要成果，丁教授认为，解开宇宙奥秘不是短时期能办得到的，他相信在21世纪的前二三十年里，人类在探索宇宙奥秘方面会有重要的突破。他们正在进行的研究，无疑是为这种突破做准备。

AML－3实验模拟宇宙的形成，也就是大爆炸，要创造这种条件，模拟宇宙开始时的情形。因此，丁教授正在带领十六个国家的数百位物理学家，在日内瓦的欧洲核子研究中心夜以继日地工作着，全世界的物理学家都在期待着他们。人们相信，不久的将来会从这里传出震惊世界科坛的喜讯。

到目前为止，丁教授领导的这次实验无疑是世界上最大型的独一无二的试验。已在日内瓦欧洲核子研究中心建成全世界最大的正负电子对撞机，简称为 LEP的巨型粒子加速器，其能量高达1300亿电子伏特，它相当于一个城市所使用的电力，让正负电子在1亿分之一秒的时间里碰撞。

LEP离子加速器的外形是一条长达27公里的环行隧道，它跨越瑞士和法国两个国家。位于地下50米至170米之间。这条隧道的建设吸引了美国、日本、中国等世界上许多国家的参与。

目前，欧洲核子研究中心正在建造世界上能量最高的大型强电子对撞机LHC。LHC利用最先进的超导磁铁和加速器技术，以获得高能量和高性能束流，研究理论预言的物理问题。根据设计，它能够让质子以每秒4000万次的频率相互碰撞，从而使质子发生爆炸，形成新的粒子。物理学家们期望能够借此发现黑格斯粒子等其他新粒子和新现象，了解物质在极小状态(10的负18次方米)时的结构组成和法则，并最终揭示宇宙形成的秘密。这一项目计划于2006年建成，建造经费5亿瑞士法郎(约18亿美元)，美国、日本、法国、瑞士、俄罗斯、印度、加拿大等国都有经费投入。

欧洲核子研究中心的地理位置

在瑞士和法国南部交界的阿尔卑斯山脚下，就是举世闻名的物理学研究机构———欧洲核子研究中心。该中心位于日内瓦的近郊，乘车不足1小时就是世界各主要机构云集的国际城市———日内瓦。CERN(欧洲核子研究中心)目前也是世界上最大的粒子物理研究中心，拥有20个成员国。在CERN工作的3000余位科研人员，来自80多个国家和地区的500多个研究机构，他们从事着物质的基本结构和其基本相互作用的研究，目前世界上的高能物理试验，约有一半是在这里完成的。此外，CERN也在先进技术教育和年轻人才的培养方面发挥着重要作用。

CERN有一个颇具规模的科普展览馆。对于一般观众来讲，核子物理的确过于深奥，似乎与我们的日常生活毫不相干，可是凡是来到这里的人都可以亲身体验与高科技的亲密接触，感受科学的魅力所在。

中国科学家的重大贡献

自从1978年以来，先后有一百多名中国物理学家和研究生到丁肇中教授领导的实验组工作和学习。在他的领导和帮助下，中国科学家在L－3探测器的设计、创造和数据分析中都发挥了重要的作用。目前，他们正把L－3实验用的大型磁铁L3－C实验室，用于寻找宇宙中未知的重质量粒子。我国政府也在20世纪80年代与CERN建立了良好的合作关系。1999年4月，国家自然科学基金委员会与科技部、中国科学院正式立项并共同集资1400万元支持这里的两个大型研究项目：CMS和ATLAS项目。日前，中科院高能物理研究所的科学家参与了欧洲核子中心的ALEPH、CMS、L3和L3－C等多项科技合作项目。这些国际合作项目，使我们的科学家可以采用国际最先进的设备和技术，进行科学研究，有助于培养我国年轻一代科学家迅速达到国际前沿水平。这也是中国高能物理学家带着自己的物理思想参加，并在各方面有实质性贡献的大型国际合作项目。同时也使得我们的工程技术人员有机会参与制造这些大型试验设备。1998 年在丁肇中教授的阿尔法磁谱航天仪航天实验中，中国承担制造的永磁铁就经受了严峻的考验。现在，由中国人制造的高能物理试验设备已经得到了国际的认可，在未来的太空实验中，必将有更大的贡献。

“我是中国人，我要用汉语发表演说”

丁肇中教授时刻都把自己的祖国———中国科学事业和经济发展放在心坎上，因为在他的血管里流的是中国人的血。 1936年1月27日，一个大头的男孩在美国密执安州安亚柏市一所医院里降生了。他便是第3位获得诺贝尔奖的华裔科学家丁肇中。

他虽然出生在美国，可在12岁以前的岁月是在中国大陆度过的。丁肇中的祖籍是山东日照县，父亲丁观海，母亲王隽英，他们都是高级知识分子，出身书香门第。他在谈及自己的身世时，曾十分诙谐地描述了他诞生在异国他乡的由来，“我在第二次世界大战时，出生于一个主要由教授和革命志士组成的家庭，我的父母亲都希望我出生在中国，但在他们访问美国时，我提早出世，由于这个意外，我成为了美国公民。这个突如其来的小插曲却也影响了我的一生。”

丁肇中的祖父丁惟汾早年追随孙中山先生从事民主革命活动，曾东渡日本，在日本参加了同盟会。回国后，积极投身推翻清朝统治者的革命斗争。袁世凯称帝时，丁惟汾痛斥袁世凯倒行逆施的行为，并声称“头可断，革命之志不可夺!”

丁肇中的外祖父王以成早年留学日本，学习土木建筑专业，受革命思想影响，经丁惟汾介绍加入同盟会，1911年武昌起义后，王以成积极组织革命武装参加反对清朝统治者的战斗。在一次战斗中不幸被俘，他坚贞不屈，拒不投降，被敌人惨无人道地砍成数块。王以成牺牲后留下女儿王隽英。

丁惟汾的儿子丁观海30年代初到美国密执安大学学习土木工程，随后王隽英也到美国，攻读教育心理学，后来，两人分别获得硕士学位。由于两家是世交，从小相互熟悉，在异国他乡他们结为伉俪。正当他们学业有成，准备回国时，王隽英怀孕了，似乎要提早临产。丁观海夫妇本想让第一个儿子出生在祖国，因恐怕在归国途中分娩，只好修改计划。他们决定丁观海先走，王隽英分娩后再回国。

丁肇中虽然没有见过祖父和外祖父，但是父母经常和他谈及过去，特别是在奶奶无微不至地照料下，幸福地生活过四五年，奶奶那种坚不可摧的气质、朴实无华的高尚品格，祖辈的英雄气概，潜移默化地影响着丁肇中的品格和作风。数十年后，丁肇中获得了1976年的诺贝尔物理学奖。在授奖仪式前，丁肇中提出用本国语言发表演说的要求。他说：“我是中国人，要用汉语发表演说。”会议主持者要求他用英语演说。双方僵持不下，最后达成协义：丁肇中的获奖演说先用中文，后用英文。

母教启发了他活跃的思维

丁肇中的幼年时期是在严酷的抗日战争中度过的。

当丁肇中刚满3个月时，他的母亲，便登上了回国的轮船，她怀里抱着幼子，忍受着惊涛骇浪颠簸的苦楚，终于回到祖国的怀抱，来到丈夫身边。当时，丁观海正在河南省焦作市的一个工学院里任教。

兵荒马乱，哪能久留他乡。不久，他们一家三口回到自己的家乡日照，转眼日本侵略军把战火烧到了日照。他们只好开始往南方逃难，当他们来到安徽省的芜湖市，丁肇中的弟弟丁肇华出生了。这时一家四口又逃到南京，南京又朝不保夕。这对年轻的夫妇万般无奈，只好扮成农民，一个人背一个孩子，经过3个多月的奔波，来到汉口，后来乘船来到重庆，丁观海教书，王隽英担任一个学院的女生指导。

丁观海一家人在重庆住下后，生活虽然清苦，但比起流亡生活总算好多了。过了几年，丁肇中到了上学的年龄，他穿上新做的学生装高高兴兴地随妈妈去附近一所小学报到注册。

上学是人生一个新的开端，但丁肇中却好景不长，他只上了几天便不敢上学了。

当时中国空军的力量薄弱，尽管重庆是大后方，仍然受到日本空军的轰炸和扫射，经常发生小孩上、下学时被炸残或房屋倒塌砸残的事情。丁肇中的父母实在不放心，便决定不让丁肇中上学了，在家中由他母亲亲自教课。

由于教学过程是在母子之间进行的，因此，丁肇中感到亲切和自由，他可以随心所欲地提出问题，也可以从不同角度去回答问题，这对丁肇中的思维方式和学习方式有极大影响。后来丁肇中回到正规学校学习，由于思维活跃，经常提出些“怪”问题，而使老师头痛，被老师看成是调皮学生。

在重庆，由于父母从事教育工作，来访的客人不是大学生就是教授，很多是有真才实学的学者，他们来访时经常与丁观海讨论各种自然科学方面的问题和研究治学的方法。天长日久，耳濡目染，年幼的丁肇中从中似乎也悟出点什么道理来。在获得诺贝尔奖后写的自传中，他曾专门提及这段往事，“由于战争的原因，我直到12岁才受到传统教育。然而，我的父母一起在大学任教，因此，使我有机会接触到许多经常来访的有才智的学者。也许由于这个早期的影响，我一直有从事研究的愿望。”

丁肇中最初的学习兴趣不是物理

正如丁教授在自传中说到的，丁肇中全家搬到台湾时，他已经12岁了。他的母亲想让他报中学一年级，可是一看课程表，这才发现丁肇中没有上过正规小学，许多课程没有学过。小时候基础知识不打好，对将来的学业很有影响。王隽英是研究教育的，对这一点非常清楚，她决定让丁肇中留一级，再读一年小学六年级。

初到台湾的时候，丁肇中一家在台中住了一段时间，不久全家就搬到台北市。丁肇中先考入成功中学，在那里读到二年级，后来又转入建国中学，直到高中毕业。

在中学丁肇中受到良好的教育，通过考试他进入台北最好的中学，学校又是按学生的能力和程度编班，他又被编到了最好的班级。这个学校的老师很出色，特别是教几何、中国历史、英文和化学的老师尤为出色。丁肇中最有兴趣的是中国历史，看了以后就可以记下来，考试时候总能考100分。

可他为什么又对物理感兴趣呢?最后为什么选择物理呢?就是因为物理比较容易理解，所谓兴趣就是因为很容易。并且他很快意识到在历史学中寻求真理比在自然科学中寻求真理要困难得多。因此他在物理和化学的学习中投入很大的精力，他的兴趣也集中于这方面了。

丁肇中读书非常投入，外界的干扰对他几乎不起作用，夏天大雨倾盆，雷声隆隆，只要他专心读书就什么也听不见，真是“雷打不动”。丁肇中非常爱惜时间，他总是把一天的时间安排得有条不紊。中学期间很少看电影，他认为看电影是时间和金钱上的浪费，特别是时间，那是浪费不起的。每到晚上，丁肇中便和几个要好的同学一起去附近的师范大学图书馆念书，那里有很好的学习气氛，又很安静，一直到图书馆关门后才回家，这样日复一日地用功，丁肇中在班级中成绩首屈一指。每次班里同学们为习题争辩不休时，总是找来丁肇中，只见他摇摆着大脑袋，把问题解释得一清二楚，同学们无不佩服赞扬道：“丁大头的大头里可盛着不少才华和智慧啊!”

丁肇中以优异的成绩毕业了，学校决定保送他进台湾成功大学，但是丁肇中心气比较高，他希望能进台湾的清华大学或台湾大学。丁肇中决定放弃保送参加联考。尽管他作了周密的准备，但是天有不测风云，他还是被成功大学机械工程系录取了。这对丁肇中来说，无疑是一次不小的打击，但是丁肇中从祖辈那里传下来的性格就是不怕失败，他很快就把情绪调整过来了，因为他有更大的目标，他并不想在机械工程方面发挥什么作用，他的兴趣在物理和教学方面。

20美元的挑战

丁肇中的家庭生活并不富裕，他去美国时家里只能给他带上100美元。

丁肇中刚到密歇根大学的时候20岁，语言并不是特别通，有时上课听不懂，就睡着了。但是经过后来的努力，他很快适应了环境，他用3年就完成了别人 4年才能完成的大学课程，并且拿了数学和物理两个学士学位。丁肇中到美国5年的时间就走完了大学和研究生的道路。别人要花5年时间才能拿到的博士学位，他两年就拿到了。

有了坚实的基础，丁肇中开始向新的高峰冲击。选择什么作为科研的主攻方向，他颇费了一番脑筋。丁肇中做博士论文时曾在蒲尔教授手下做过一些实验，已经显示他在实验物理方面很有才能。蒲尔教授劝告他从事实验物理方面的研究工作。丁肇中却在实验物理和理论物理之间犹豫不定。

乔治尔伦伯克教授是著名的实验物理学家，丁肇中想听听他的意见。老教授劝他从事实验物理工作，因为在实验中任何新的发现都是很重要的贡献，而工作则要在很多实验的积累下才能产生；如果想作一个理论物理学家，一定要极出色才行。听了老教授的一席话，丁肇中反复思考了自己的实际情况，他决心从事实验物理工作。

他曾师从吴健雄和杨振宁，又到西欧核子研究中心，在柯可尼手下工作，这些经历使他的实验技能有了长足的发展。为了创造出更多的学习机会，丁肇中又从西西里大学匆匆回到哥伦比亚大学。这时，他从科学文献中得知一个消息，有好几个很有名的物理学家通过实验发现了有违反量子力学的事实。丁肇中并不同意这些人的看法，他自己准备重新实验。他拿着制订好的实验计划去请教李昂德黎曼教授，李昂德黎曼教授是当时一流的物理学家，他劝丁肇中不要在这个问题上耗费青春年华，因为这个实验花费3～4年的时间也难以得出结果，但丁肇中认为只需一年的时间就可以证实。李昂德黎曼教授摇头不已，否定了丁肇中的计划，双方争执不下。李昂德黎曼教授以20美元作为赌注，向丁肇中挑战，如果他能在短时间里做出实验，他给丁肇中20美元。丁肇中接受了挑战，他对此是很有把握的。

在半年之内丁肇中就完成了他所设计的实验，纠正了这些物理学家的错误。李昂德黎曼教授自然也输了20美元。人们开始注视这位年轻物理学家了。

丁肇中对未来充满了必胜的信心。当时他在写给父亲的信中就说道：“爸爸，未来的10年我将有希望获得诺贝尔奖。”

获得诺贝尔奖

1969年，丁肇中在美国马萨诸塞理工学院物理系任教授。1970年担任美国物理协会粒子和场研究项目顾问，并任《核物理通讯》副主编。1974 年以他为首的一批物理学家，在美国纽约州长岛的布鲁克海文实验室从事观察两个质子碰撞后产生的电子对的研究，其目的是希望搞清某些基本粒子的电磁力性质。他们在实验中发现，当能量上升到31亿电子伏特时，测量到的电子对数成倍上升。这时他们开始意识到可能是发现了一种新的粒子。经过500次测量，这个新粒子的特点是：它的能量很大，较其他重粒子的能量高出约100倍，而它的质量为质子的3倍多一点。此外，它的寿命又十分长，大约10～20秒等，这些特点构成了它具有当时已发现的300余种基本粒子的特殊性。

为了纪念丁肇中为首的电磁力探索的这一新发现，把这个新粒子命名为丁粒子，这里因为英文大写字母J与汉字的字型上相似，故称为“J”粒子。两年后，丁肇中获得诺贝尔物理学奖。

在北京，丁肇中教授生动形象地重新描述了当年获得诺贝尔奖的这一重大发现。第一，理论上所有人都认为没有这种非常重的粒子。第二，那个实验要有非常灵敏的精确度，比方说，北京下雨的时候，有十亿个雨点，有一个是红的也要把它找到，最初该项实验报到实验室，却被拒绝了。为什么这个实验重要呢?它有特别的性能，找到粒子后，就找到一个家族，跟它相似的一个家族。这个家族的特点是什么?第一，它比较重，比所有粒子重3倍，更重要的是这个家族的寿命比所有粒子长一万倍，什么意思呢?比方说，世上所有的人通常都活100岁左右，但是你忽然找到一个村庄有人活十万岁，这表示这些性能和别人不一样，这是比较重要的实验。J粒子发现后，各国报刊纷纷发表评论，中国报刊也对这次重大发现表示由衷的盛赞，认为这个发现对人类认识微观世界具有重大意义。

关于这次太空实验

人们已经知道，约在50亿年前宇宙诞生时产生了大体相等的物质和反物质，那么现在这些反物质到哪里去了呢?一种解释说宇宙的某些地方存在着由反物质组成的星系；还有一种解释说宇宙诞生时产生的物质比反物质多了一点，物质与反物质相互湮灭后，剩下的物质就构成了现在的宇宙。由于科学家日前对反物质了解非常少，因此对宇宙诞生和演化及物质世界构成等问题很难深入研究，为了探索反物质之谜，科学家们采取了两种途径，一是在自然界中寻找反物质，研究反物质的自然状态；二是在实验室中制造反物质，从更多的角度研究反物质。

日内瓦的欧洲原子能研究中心的一个小组，最近宣布，他们的反物质研究取得重大突破，首次制造出了大批反物质。顾名思义，反物质就是普通物质的反状态。当正反物质相遇时，双方互相抵消，发生剧烈爆炸，产生巨大能量。该小组指出，他们已经制造出50000个原子的反氢，也就是普通氢的反物质。

丁教授领导的实验小组，目的是在自然界中寻找反物质，研究反物质的自然状态。

1998年已经完成了利用航天飞机搭载AMS—01阿尔法磁谱仪的太空试验。这次太空试验是在国际空间站上，离地球4200多公里，没有大气存在的环境中进行的。

2003年上半年，将用航天飞机搭载AMS—02阿尔法磁谱仪进行一次更大规模的太空试验，中国空间技术研究院、中国运载技术研究院和中国科学院高能物理研究所的科学家们将参与这一试验。

人们企盼着包括中国科学家在内的以丁肇中教授为首的科学家们能够在科坛上再创佳绩。

　　人们企盼着，丁肇中教授再次冲刺诺贝尔奖。(转载自《人物》杂志2003年第4期)