科技视野丨丁肇中：赵忠尧院士的工作改变了我的实验

北京科协

2024-10-28 07:00发布于北京北京市科学技术协会官方账号

「编者按 」

在这个信息爆炸的时代，我们追求的不仅是知识的积累，更重要的是对科学精神的深刻理解以及对探索未知的无限热情。让我们一起在科学的世界里，遇见更广阔的天地，遇见更深刻的自己。

导读

近日，丁肇中在西安交通大学作“我所经历的现代物理”报告。在报告中，他详细回顾了在测量电子的半径、测量光子和重光子、发现新物质、发现胶子、研究宇宙的起源、在国际空间站上的阿尔法磁谱仪六个实验中的经历，通过生动的案例和详实的数据，展示了这些实验在推动物理学发展方面的贡献。他寄语学子：“大家要勇于探索未知，坚持自己的信念和追求。只有这样，才能在科学的道路上走得更远、更高。”

科学研究的路上离不开前人的铺路。2022年，丁肇中曾在赵忠尧先生诞辰120周年学术研讨会讲话中说道：“赵忠尧院士的发现——光可以变成正负电子对，启发了我一系列的实验。”

赵忠尧先生是我国著名物理学家，中国原子核物理、中子物理、加速器和宇宙线研究的先驱者和奠基人之一，其早期对γ射线散射中反常吸收和特殊辐射的实验发现，在正电子、反物质的科学发现史上有重要意义。

今天我们一起来学习丁肇中回忆赵忠尧的故事，从中体会他们的科学思想。

丁肇中 | 撰文

赵忠尧院士于1958年筹建中国科大近代物理系并兼任系主任。过去40年，我和中国科大有很多的合作，包括很多的科学家参加我的工作，他们对我的实验做出了很重要的贡献。

赵忠尧（1902年6月27日-1998年5月28日）

赵忠尧院士是最早（1930年）观测到反物质存在的人。1930年，这一重要成果以“硬γ射线的散射”为题目发表在美国《物理评论》杂志上。这是因为，γ射线在通过重金属铅后产生正负电子对——电子是物质，正电子是反物质。正负电子产生和湮灭的时候，光通过铅之后，产生正负电子对。另外一个电子和铅里面另外一个原子湮灭变成光。它的很重要的一个结论就是，γ射线通过重金属铅后产生额外的散射光。

赵忠尧院士的发现——光可以变成正负电子对，启发了我一系列的实验。

测量电子半径

第一个实验是测量电子半径（1965年）。

1948年，根据量子电动力学，费曼（Feynman）、施温格（Schwinger）和朝永振一郎（Tomonaga）提出理论：电子是没有体积的。这个理论被当时所有的实验所证明，他们因此获诺贝尔奖。但是，到了1964年，哈佛大学和康奈尔大学著名的教授们和多年专门从事这个实验的专家们，用若干年的时间做了两个不同的实验，得到相反的结果——量子电动力学是错误，电子是有体积的，电子的半径是10-(13～14) cm。他们的结果受到物理学界的认可和重视。1965年哈佛大学测量电子半径的实验，是用美国MIT和哈佛电子加速器产生的60亿电子伏的同步辐射光来产生正负电子对。这是当年实验的结果。

实验结果和量子电动力学预测的比值等于1的话，说明量子电动力学是对的。他们的结果超于量子力学的计算，这就表示在10-13cm以后，就可以测到电子的半径。这个实验得到康奈尔电子加速器的独立证实。这就表明电子的半径在10-13到10-14cm之间，也就是说量子电动力学是错误。

1967年，我在德国DESY测量正负电子实验，这个实验根据赵忠尧院士光产生正负电子对的实验。每秒入射1000亿个光子，能量为60亿电子伏。这是磁铁，这些仪器测量动量，这些仪器测量速度，这些仪器测量电子能量。

8个月后，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10-14cm。实验的结果和理论预言完全一致。

光子和重光子系列实验

第二个实验是光子和重光子（重光子就是有质量的光子）的系列实验。

光子和重光子有相同的量子数。光子质量等于0。重光子有ρ→ππ共振态，有ω→πππ共振态，有φ→K＋K–共振态。它们的质量都在10亿电子伏左右。

光子和重光子有相同的量子数，不同之处在于光子的质量为0，因为能量 E=mc²。在高能情况之下，光子和重光子应该可以互相转化。所以我就做了一系列重光子ρ和ω衰减干涉的实验。重光子ρ是ππ共振态，ω是 πππ共振态，因此重光子ρ和ω衰减不会发生干涉。可是ρ和ω都能变成光子，光子可以衰变成正负电子对。因此ρ和ω衰减应该产生e＋e–衰变干涉。

这是一个非常困难的实验，e＋e–和ππ的分辨率必须达到一亿分之一以上，所以以前的实验都没有找到过。后来我设计了一个新的探测器，发现重光子ρ和ω之间是可以互相转化。这是我们正负电子的数据。这个数据和ρ+ω→e＋e–互相转化的预测是完全符合的，而不符合ρ→e＋e–——无相互转化时的预测。

同时我们观察到传统理论认为不可能存在的ω→ππ衰变。重光子ρ是ππ共振态，ω是πππ共振态，因此重光子ρ和ω衰减不会发生干涉。可是ω会变成光子，光子再变成ρ，ρ变成ππ，因此ω→ππ衰变是应该存在的。

很多人当年讨论这些问题，包括获得诺贝尔奖的S. L. Glashow和J. Steinberger。这是一个重要的现象，以前很多人找，都没有发现过，结果我们发现，用氢靶、用碳靶、用铅靶，所得到的结果都是符合ρ，ω→ππ，就是ω→ππ衰变。只有ρ→ππ衰变是不符合我们实验数据的。

J粒子实验

第三个实验。我们知道光子和重光子性质相同，它们之间可以互相转化。我的问题是：为什么所有的重光子质量都和质子的质量相近（10亿电子伏）。为了寻找更重的重光子，我们决定到质子加速器上做一个最精密的探测器。在美国布鲁克海文（Brookhaven）国家实验室进行J粒子实验。J粒子实验的设计要求是，从100亿个已知粒子中找到一个新粒子衰变成e＋e–。从100亿找一个，因此必须每秒钟输入100亿高能量的质子到探测器上。这么多的质子输入到探测器上所产生的放射线会彻底破坏探测器，对工作人员也是非常危险的。

因此必须发现全新的、非常精确的、在非常强的放射线下能正常工作的全部仪器，这是当年的实验的屏蔽设计。

实验使用了1万吨的水泥、5吨的铀、100吨的铅和5吨的肥皂。输入是每秒钟100亿质子，能量达300亿电子伏。这是当年的J粒子磁谱仪。

在J粒子实验中，研发了很多的新仪器，包括特别精密的多丝正比室，常年展于美国华盛顿的国家科技馆。

1974年，我们发现了J粒子，它具有奇异的特性：它的寿命比已知的粒子长1万倍。新粒子发现后，很快，同样寿命的类似的粒子也都被发现。它的重要性，类似于我们发现一个偏僻村子里面所有的人都是100岁左右。这就表示这个村子里的人和普通人是完全不一样的。

这种新粒子的发现，证明宇宙中有新的物质存在，它们由新的夸克组成，我们把它命名为J粒子。J粒子的发现，改变了物理界长期认为“世界上只有三种夸克”的观念，改变了我们对物质基本结构的认识。继J粒子发现之后，新的粒子又继续被找到。现在我们知道，至少存在6种不同的夸克。

发现胶子

再继续以前光变成正负电子而做一个实验，第四个实验：发现胶子的实验。这是在20世纪70年代，德国PETRA的300亿电子伏对撞机上所做的。正电子、负电子对撞以后，到底有什么现象？1977年8月，邓小平建议每年派10位科学家参加我的工作。从那时候到现在，有许多中国科学家参加我的团队，并且做出了世界公认的贡献。下图是1978年第一批中国科学家，包括高能所的唐孝威院士、郑志鹏所长、中国科大的许咨宗教授和杨保忠教授等，到德国正负电子对撞机上的Mark-J工作。

上图是20世纪70年代德国PETRA实验，用300亿电子伏的对撞机来做的。

1979年，赵忠尧院士及科学院领导访问Mark-J实验，下方照片中有赵忠尧院士（前排右三），以及杨保忠、郑志鹏、唐孝威、陈和生、许咨宗。

中国科大和我合作的重要贡献之一就是发现胶子。宇宙中有三种力。一种是引力，引力的来源、传输，我们并不了解。电弱力，由光、Z0、W±子传输。强力在原子核里把夸克绑在一起，由胶子传输，这是一个比较重要的发现。

这是1979年9月2日美国《纽约时报》报道我们发现胶子的消息。这中间有一段特别提到，27名中国科学家参加了这次实验。在有关核与粒子物理实验的国际合作研究史上，这是中国第一次的一个大贡献。

当年的《人民日报》也报道了发现胶子的事情。

欧洲核子中心的L3实验

继续以前光变成正负电子的实验，我的第五个实验是在欧洲核子中心的L3实验，是用1000亿电子伏的正电子和1000亿电子伏的电子相撞。对撞时温度是太阳表面温度的4000亿倍，也是宇宙诞生最初（1000亿亿分之一秒时）的温度。这是首次美国、苏联、中国、欧洲等19个国家和600名科学家共同参加的大型国际合作，中国科大在里面作了很重要的贡献。这是L3实验，磁铁重1万吨，探测器中有300吨铀，都是在苏联做的。中国的主要贡献包括精密仪器：上海的硅酸盐所研发的BGO晶体。BGO是透明的，其密度和钢相同。当时世界年产量只有4公斤，而我们需要12吨。现在他们（指硅酸盐所）的晶体产品已被广泛应用于工业及医学领域。

在数据分析中，中国科大的韩荣典、马文淦、陈宏芳、宫竹芳、周冰、钱剑明、戴铁生等和中国科学院高能所的陈和生、王贻芳、陈刚、陈国明等，都做过非常重要的贡献。这是王贻芳院士和蔡旭东博士在L3的仪器上。

高能所的郑志鹏所长也积极支持L3实验。

L3实验总共发表了300篇文章，有300人获得博士学位。实验的结果，这300篇文章可以用4句话表达出来。第一，宇宙中只有3种不同的电子和6种不同的夸克。第二，电子是没有体积的，电子的半径小于10-17cm。第三，夸克也是没有体积的，夸克的半径小于10-17cm。第四，不幸的是，所有的结果都与电弱理论符合。当一个实验和理论符合的时候，你学到的东西很少，当实验推翻了理论以后，才是更重要的。

阿尔法磁谱仪AMS

1930 年，赵忠尧院士首次发现反物质（正电子），我的第六个实验是国际空间站上的阿尔法磁谱仪AMS，这个实验自1994年持续到2030年。目标之一，是寻找宇宙中高能量正电子的来源。这是陈和生院士和NASA AMS总工程师Ken Bollweg。

根据现在我们的了解，宇宙中正电子来源有三种。第一，宇宙线和星际物质相碰，宇宙线碰撞产生的正电子。第二，新的天体源——比方说脉冲星，脉冲星可以产生正电子。脉冲星不能产生反质子，因为反质子的重量特别大。第三，暗物质和暗物质相碰，可以产生正电子。所以，有三种正电子来源。

我们发现，宇宙中正电子有两种起源：低能量正电子来自宇宙线碰撞，因为它产生的数量和宇宙线碰撞的预测是相同的。这是10年来收集的340万正电子，从很低的能量到1万亿电子伏。高能量的正负电子来自脉冲星或暗物质。

可是，反质子和正电子有相同的能量分布。刚才我已经说过了，反质子是不可能由脉冲星产生的，所以我们探测的反质子的能谱和正电子的能谱完全一样，就表示正电子能谱不是由脉冲星产生。收集数据非常大，包括80万个反质子、340万个正电子。

宇宙是最广阔的实验室，而我们对宇宙的认识很有限。未来10年，AMS将继续收集数据，将改变我们对宇宙的认识。

中国人常说：“千里之行，始于足下。”赵忠尧院士的工作改变了我的实验。今天特别谢谢赵政国院士和中国科大的领导给我一个机会，介绍赵忠尧院士工作对我的工作的重要性。

谢谢大家！

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