丁肇中：沉浸于實驗物理的“狂人”

編者按 今年是諾貝爾物理學(xué)獎獲得者丁肇中先生發(fā)現(xiàn)J粒子50周年，J粒子的發(fā)現(xiàn)被全球物理學(xué)界稱為“11月革命”。祖籍山東的丁肇中在尋根之旅中曾多次親臨日照市科技館的建設(shè)現(xiàn)場，日照市科技館常設(shè)展廳也展示了丁肇中探索物質(zhì)世界的科學(xué)實驗與發(fā)現(xiàn)。本報特邀日照市科技館館長李志毅撰文，回顧J粒子的發(fā)現(xiàn)歷程，走進丁肇中的物理世界。

2024年度的科學(xué)界熱詞中，J粒子一定擁有“姓名”。50年前，丁肇中發(fā)現(xiàn)J粒子，兩年后獲得諾貝爾物理學(xué)獎。

如今，88歲高齡的丁肇中還活躍在科研一線。他沒有退休，仍是一個超大型國際合作項目阿爾法磁譜儀（AMS）的首席科學(xué)家。

AMS實驗是他在耄耋之年仍全身心投入的唯一工作。每天早上7點起床，一直工作到晚上七八點，不分周末，極少社交。

若想理解丁肇中，唯一路徑就是理解他的物理世界。

結(jié)緣物理，沒聽媽媽的話

1936年1月27日，丁肇中在美國密歇根州安娜堡州立大學(xué)醫(yī)院里降生，早產(chǎn)了兩個月。父親丁觀海和母親王雋英原本希望他出生在中國，但還未回國，他就提早出世，用丁肇中的話說，“意外”成為美國公民。

出生3個月后，丁肇中回到中國。正逢日軍侵華，一家人顛沛流離，九死一生。

從山東日照輾轉(zhuǎn)到重慶落腳，日本人的轟炸，幾次打斷了他的上學(xué)路。即便在家，父親也常常向他講述法拉第、牛頓、愛因斯坦和馮·卡門等科學(xué)家的故事。在父親的熏陶下，丁肇中幼小的心底萌生了成為一名科學(xué)家的想法。

“戰(zhàn)爭的好處是，我可以不必上學(xué)。”丁肇中這樣詼諧地形容童年時光，逃課、避難、爬樹、站在碼頭上朝日本軍艦扔石頭。

上大學(xué)以前，丁肇中跟粒子物理唯一的關(guān)聯(lián)，就是聽新聞講到日本廣島和長崎的時候問爸爸，“什么是原子彈？”

回憶最初零散又匆忙的求學(xué)經(jīng)歷，丁肇中很感恩家庭教育，“我的父母從來不管束我，而總是激勵我的興趣，他們從不強求子女在學(xué)校中得到好分數(shù)。”

1956年9月，丁肇中開始了在美國密歇根大學(xué)的艱苦學(xué)習(xí)。

一開始他選了機械工程專業(yè)，身為土木工程學(xué)教授的父親也特別支持兒子從事工程學(xué)研究。但老師說丁肇中學(xué)不來工程，因為他畫的直線總是不直。他也想過學(xué)歷史，但當他發(fā)現(xiàn)改朝換代第一件事就是修改史書，就知道自己也學(xué)不來這個專業(yè)。

決定轉(zhuǎn)學(xué)物理的時候，丁肇中告訴了母親。母親委婉地反對：“學(xué)物理，要特別有天分的人才可以?！彼幕卮鸷芨纱啵骸拔以谑澜缟现蛔咭淮?，應(yīng)該照自己的興趣去做?！?/p>

投身實驗，“大鬧物理天宮”

科學(xué)世界里，丁肇中常常是那個“把多數(shù)推翻的極少數(shù)”。他采取的方法很簡單，就是實驗。實驗既是他的基本價值觀，也是方法論。

起初，丁肇中的研究方向是理論物理。轉(zhuǎn)向是因為他的導(dǎo)師喬治·烏倫貝克隨口感慨的一句話：“一個平庸的實驗物理學(xué)家也很有用，因為每一次實驗測量都有意義。但是一個平庸的理論物理學(xué)家，什么都不是。整個20世紀對物理有貢獻的理論物理學(xué)家，你用手指都能數(shù)得出來?！?/p>

就這樣，丁肇中毅然投身于實驗物理。

丁肇中的物理生涯可大致概括成6個主要階段，J粒子的發(fā)現(xiàn)是第三個階段。J粒子的發(fā)現(xiàn)如一枚石子拋進一泓平靜的池水，讓物理界沸騰了。

目前的結(jié)論是，夸克是構(gòu)成自然界基本元素最小的不可分割單元。一直以來，物理學(xué)家之間流行的說法是，粒子就像洋蔥，剝掉一層之后，下面總會有另一層。

20世紀50-70年代，人類只發(fā)現(xiàn)了3種夸克。丁肇中覺得很奇怪，為什么沒有第四種、第五種？

然而，要想尋找新的夸克，難度極大，丁肇中自己形容“相當于北京下雨時，要在每秒鐘的100億個雨滴中找到一個不同顏色的雨滴”。

1974年11月11日，得益于嚴謹?shù)膶嶒炘O(shè)計和實驗室的全力支持，丁肇中果然發(fā)現(xiàn)了第四種夸克的存在，他把由第四種夸克組成的新粒子稱之為J粒子。J粒子的發(fā)現(xiàn)令全球物理學(xué)界激動，被稱為“11月革命”。

1976年12月10日，在諾貝爾獎頒獎典禮上，丁肇中先是用中文，后又用英文發(fā)表了因發(fā)現(xiàn)J粒子而獲得諾貝爾物理學(xué)獎的演講：“得到諾貝爾獎，是一個科學(xué)家最大的榮譽，我是在舊中國長大的，想借這個機會向在發(fā)展中國家的青年們強調(diào)實驗工作的重要性……”

科學(xué)狂人，把多數(shù)推翻的極少數(shù)

時至今日，這位實驗物理學(xué)家一直在一線做實驗。這次，丁肇中把實驗的舞臺搬到了天上。

時間倒回到1994年，丁肇中做出了一個重大決定。他選擇去做AMS實驗，把一塊“磁鐵”放進遙遠的太空，用來研究宇宙射線的特性和起源，特別是尋找暗物質(zhì)和反物質(zhì)。

雖說丁肇中的每次實驗都曾遭到很多人的反對，但AMS遇到的阻力最大。丁肇中自己總結(jié)：“這是我做過的最復(fù)雜、技術(shù)上最具挑戰(zhàn)性的實驗。”同時，將磁譜儀送入太空，在丁肇中之前，從沒有人敢這么想。

此后數(shù)年，波折不斷。丁肇中一邊進行實驗準備，一邊游說政府官員。終于，2011年5月16日，美國宇航局“奮進號”航天飛機載著AMS-02探測器正式升空。

“自然科學(xué)的發(fā)展是多數(shù)服從少數(shù)，只有極少數(shù)人把多數(shù)人的觀點推翻后，科學(xué)才能向前走?！边@是丁肇中常掛在嘴邊的一句話。過去100年里的宇宙線測量誤差極大，而AMS提供的宇宙線測量結(jié)果誤差度小于1%。

太空中的AMS仍在回傳數(shù)據(jù)，地球上的丁肇中仍在物理和人生之間穿梭，沒有一點要退休的意思。

微塵深處窮真理，銀河漫卷寫此生。丁肇中的物理，讓他永遠年輕。

（作者李志毅系日照市科技館館長、研究館員）