丁肇中:找到那顆紅色雨滴
2024-07-04
影響世界華人盛典

丁肇中的辦公室放著電影《奧本海默》的藍光碟,以及一本奧本海默的自傳。這是他的同行前輩。他表示已經看了兩遍電影,他清楚電影裏的每一件事。

作為美籍華裔實驗物理學家、現任美國麻省理工學院教授,丁肇中還有一串重要頭銜,美國科學院院士、藝術與科學院院士、中國科學院外籍院士、超大型國際合作專案阿爾法磁譜儀(AMS)實驗首席科學家等。

近日,鳳凰記者在日內瓦的歐洲核子研究中心裏採訪了他。他的人生充滿了諸多巧合:因為早產,他降生於父母歸國前夕,因此自然獲得美國國籍,這讓他日後得以走出不順利的台灣本科學習,直接去美國改修物理,從此扎根美國學界;本科畢業後趕上越戰,原本要應徵入伍,但原子能委員會卻使他免於服兵役,因為美國急著跟蘇聯展開科技競賽,而丁肇中“以後可能變成科學家”。

接下來的故事,相信很多人都知道:他發現了一種新的亞原子粒子,並將其命名為“J粒子”,其難度無異於從一座城市每秒鐘落下的100億雨滴中,找出一顆與眾不同的紅色雨滴,他因此獲得1976年諾貝爾物理學獎,並成為諾獎歷史上第一個用中文作獲獎致辭的人;他驗證了膠子的存在,發現宇宙中只有3種電子和6種誇克,它們都沒有體積;而由他提出卻幾經波折的超大型國際合作專案AMS實驗,直到2011年才步入正軌,並持續至今。他通過實驗邁出的每一步,都拉近了人類探索宇宙奧秘的距離。

“自然科學是個實驗的科學,再好的理論,沒有實驗的證明是沒有意義的。”在“世界因你而美麗——2023-2024影響世界華人盛典”上,丁肇中獲頒“終身成就獎”。他始終認為,自然科學的發展是多數服從少數,只有極少數人把別人和傳統的觀念推翻後,才能向前走。

6月28日,香港會展中心,丁肇中獲頒“2023-2024影響世界華人終身成就獎”。

6月28日,在國窖1573“世界因你而美麗——2023-2024影響世界華人盛典”上,丁肇中獲頒“影響世界華人終身成就獎”。丁肇中在現場發表獲獎感言時表示,自然科學的發展是把大多數人的觀念推翻了以後才能向前走。他還提到自己一開始學物理,最反對的是母親,因為母親認為他並不具備物理天分,而他的回應是:“我在世界上只走一次,應該照自己的興趣去做。”

盛典現場,當丁肇中領獎後走下舞台,台下嘉賓及觀眾全體起立並熱烈鼓掌,向這位88歲依然在進行著物理實驗的科學家表達敬意。

“世界因你而美麗——影響世界華人盛典”由鳳凰衛視集團聯合海內外多家華語媒體機構發起,共同推舉及表彰在不同領域成就卓越、具有世界影響力的傑出華人典範。自2007年啟幕至今,華人盛典已連續舉辦15屆,今年是盛典首次落地香港。

01抗戰軍興,流離遷移頻仍

“我在第二次世界大戰初期出生在一個主要由教授和革命志士組成的家庭裏,我的父母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,我成為美國公民,這個突來的小插曲卻也影響了我的一生。”丁肇中曾這樣介紹自己的身世。

1936年1月27日,丁肇中在位於密歇根州安娜堡的州立大學醫院裏降生,早產了兩個月。他的父母是山東同鄉,都出身名門,父親丁觀海是土木工程學家,母親王雋英是辛亥遺孤,深耕教育心理學,兩人相識於上海校園,在美讀研時結婚,丁肇中是這對夫婦的第一個孩子,生在他們在美國學術訪問的中途。

回國後的第二年,“七七事變”爆發,丁肇中和父母正在山東濤雒老家。戰火越來越近,8月,一家人坐火車南下南京,妻子立即進入鼓樓醫院待產,當月南京遭轟炸,他們轉道蕪湖,孰料蕪湖也不能免於空襲,只好再次動身去合肥的醫院。

“抗戰軍興,流離遷移頻仍。”這種舉家流離的日子一直持續到1938年12月,一家人團聚於陪都重慶,全家終於安頓下來。

大後方也充滿諸多危險,躲過了日軍航空炸彈,還得避開各路土匪。丁觀海曾回憶長子丁肇中差點喪命的危險一夜:彼時,丁觀海在重慶大學教書,王雋英在民族中學當教務主任,且即將去四川教育學院教授心理學。為躲避空襲,孩子們跟外婆暫居嘉陵江畔的一個山洞裏,孰料夜間40多個蒙面土匪闖入,找不到錢財,走前朝著丁肇中的枕頭開了一槍。

回憶重慶歲月,丁肇中最難忘的事情居然是放羊和擠羊奶。“家中買了羊,弟弟不幸罹患肺病,醫藥欠缺的戰時,肺病存活率低,必須小心照顧。”

若干年後,在一場報告中他曾這樣總結戰火下的童年:“由於當時中國的境況,我一直是一個難民,不斷地從一個地方逃到另一個地方。當然,那時使我沒有可能得到任何的正規教育。僅僅由於我的父母都是大學教授,我們才得以有足夠的飯吃並且總是可以找到適當的住所,但沒有正規的教育、體育運動和任何娛樂。然而,幸運的是我可以見到許多來我們家拜訪我父母的有才華的學者。”

在重慶生活的8年裏,丁肇中曾進入一所小學就讀,但第一天上學,空襲警報就響了,為安全起見,學校宣佈放假一天。後來的學習也因戰事時斷時續,一個月上不了幾天課,改由父母教導功課。白天,父母在大學裏教書,丁肇中就在家學習、做作業,晚上,父母回家批改作業,再教新的功課,如此往復。這段經歷讓丁肇中養成了一句詼諧口頭禪:“戰爭的好處是,我可以不必上學。”

抗戰勝利並沒有給丁肇中帶來多少喜悅,因為他和弟弟開始陷入長達多月的傷寒折磨。這場發燒,陪伴他從重慶來到南京,給父母多次送去病危通知書,並耗盡了家裏積蓄用來購買新藥盤尼西林。

轉危為安後,丁肇中開始在南京上小學,這是他第一次接受正規教育,但一家人很快搬去青島,他又進入一家由德國修女開辦的天主教學校。學校教學非常嚴格,加上之前並未受過正規教育,對學校也沒有什麼興趣,他在適應學業上遇到不小困難。

回憶最初零散、短暫、匆忙的求學經歷,丁肇中很感恩家庭教育與文化氛圍,高級知識份子父母的家庭教育非常有水準,從不強迫孩子念書。

他更喜歡母親的教育方法——輕鬆傳授知識,但從不要求考100分。“因為她明白,100分對於一個孩子來說沒有什麼意義,而培養孩子學習的興趣、對未知世界的探索精神才是關鍵。”丁肇中坦言,這一點對他從那以後的學習和研究起到非常重要的作用。

另一方面,他也非常感恩父親的引路作用:“他對我的最大影響是,在我少年時代引導我認識了偉大科學家們的工作和成就,對我所做的一切總是給予很大的支持。因而,應該說,他是我的啟蒙老師。”

02不愛工程愛足球

12歲時,丁肇中在台灣開始接受正規教育。彼時的學校仍延續著日統時期日本人留下的嚴格和有規律的教育制度,學生在學校裏最重要的就是成為一名出類拔萃的學生。一年後,他隨父母搬到台北,後通過考試進入台北最好的高中,並被編入最好的班級。

他專注於讀書,常和同學們去台灣師範大學圖書館讀書,待圖書館關燈後回家繼續讀書。他幾乎沒有消遣活動,覺得看電影是“金錢與時間上的奢侈”。他經常跟同學爭論做題,往往以勝利告終。同學們對他的數理水準佩服不已,取綽號“丁大頭”或“大頭丁”。

念高中時,丁肇中最感興趣的是中國歷史,其次是化學和物理,“但我很快意識到,在歷史學中去尋找真理,比在自然科學中尋求真理要困難得多。”丁肇中回憶,或因自己12歲以前沒有機會受到教育,他對中國文學、英文和其他諸如此類的課程,感到極大的困難,但他投入大量時間在物理和化學的學習中。雖然他並非這些學科中最優秀的學生,但對這些課程的理解,他也許比其他學生更深入一些。

丁肇中放棄台灣省立工學院(注:今為成功大學)的保送機會,參加聯考,想入台灣大學。但他偏科嚴重,語文和英文拖了後腿,結果又考回省工學院機械工程系。很多年裏,他把這段無法釋懷的日子稱為上學生涯裏的“黑暗時期”。多年後,當他成名天下之際,台大當年那位主考人非常後悔,錯過了這麼一位英才。

入學不久,他以志趣不合為由辦理休學,迅速離開省工學院。恰逢美國密歇根大學一個校領導團隊訪台,得知丁肇中就出生在密歇根大學醫院裏,對方告訴他:“那你算是密歇根州的人,你也可以上大學,不用交學費。”

於是,1956年9月,丁肇中帶著隨身僅有的100美元,獨自一人落地底特律機場,來到密歇根大學。

那時的美國,華人很少,校園裏更是鮮有華人學生。丁肇中到了班上都坐第一排,老師講課的時候,他常因為時差問題而睡著,睡著睡著被老師叫醒,引來別的學生哄堂大笑。“對我來說,那是非常艱難的一年,我不僅不懂當地語言,而且幾乎沒有錢養活自己,我只有刻苦學習,始終保持優等生的地位,用獲得的獎學金來繼續我的學習。”

最初,丁肇中學的是機械工程,而非物理。其實他並不知道該怎麼選擇,只是聽別人說學工程比較容易找工作,考慮到就業前景才選擇了這一專業。不過,相比主修的專業,他顯然對足球的興趣更濃,“有時候不去上課,可從來沒有不去支持足球”。加上由於沒有電腦,必須自己畫圖,丁肇中連一條線都畫不直,三視圖也畫不出,被工學院的導師建議改學數學或物理。

大學二年級時,丁肇中請求學校讓他多學一些研究院的數學、物理和化學課程,學校通知他必須轉系才行,於是他離開工學院,並在6年之內陸續取得了工程物理和工程數學的學士、碩士學位,和物理學博士學位,這在當時是非常少有的。

“東方學生很會考試,很會背公式。會考試並非不好,但是會考試並非代表一切。很多會考試的人,對公式背後的意義並不很瞭解。”在校期間,丁肇中的考試成績相當好,但他覺得,作為一個科學家,最重要的是不斷探尋課本之外的事,對學科有更深入一層的理解,有能力去獨立思考各種物理現象的本質,面對占壓倒優勢的反對意見也要毫不膽怯地迎接挑戰,“對所有學生有一條共同要求,就是任何時候都不要死讀書,不要被分數牽著鼻子走,而要善於獨立思考,勤於自己動手,使自己具備競爭的能力。”

在高中裏喜愛不依不饒爭辯的勁頭,有助於他適應美國的學術環境。他風趣地追憶道:“就讀密歇根大學研究所時,我和一般沉默寡言的中國學生不同,很喜歡發問,一點點疑問總要追根究底,大約很令教授們頭疼。所以我離開密歇根大學時,竟然有令這個大學的教授們松了一口氣的感覺。”

博士畢業後,丁肇中奔波於東海岸各大城市的科研機構和大學,考察對方,也被對方考察。然而1960年,他卻迎來喪母之痛。王雋英來美國動直腸癌手術,12月3日在醫院去世,下葬紐約。母親臨終前囑託丁肇中:“愛科學,愛祖國,雙愛雙榮。”

03找到那顆紅色雨滴

丁肇中堅信“實驗是物理學的基礎”,但其實他起初在密歇根大學學習時,想要鑽研的是理論物理,而非實驗物理。轉向,是發現了電子自旋的理論物理學家喬治·烏倫貝克(George Uhlenbeck)給了他啟發。

烏倫貝克曾告訴他,如果能重來,自己會選擇當個實驗物理學家,而不是理論物理學家,因為“對物理真正有影響力的理論物理學家,用一只手的指頭就能數得出來,但實驗得到的每一個結果,都是對物理、對人類有貢獻的”。談完後,丁肇中在他的辦公室外走來走去,然後告訴他:“你是對的,我要離開你了。”

博士畢業後,立志從事研究工作的丁肇中首先選擇了歐洲核子研究中心一份薪金較低的工作,一年後到雲集大量知名且有才華的物理學家和諾貝爾獎獲得者的哥倫比亞大學物理系擔任講師。這兩段經歷對他後來的工作影響深遠。

1966年開始,丁肇中領導的實驗小組進行了一連串關於量子電動力學和向量介子的實驗工作。最初,他的有關實驗方案並不為諾獎得主、後任費米國家加速器實驗室主任利昂·萊德曼(Leon M. Lederman)的認可,但最終實驗成功了,他們的努力付出,不僅加深了人類對向量介子的認識,證實了量子電動力學的正確性,也成為他個人和同事們所從事一系列實驗的基礎,更讓他認識到“不要盲從專家的結論”。

在那個高能物理剛剛蓬勃興起的年代,許多新的粒子陸續被發現和碰撞出來。1972年,丁肇中感到很可能存在許多有光的特性而品質較重的粒子,但理論上並未預言它們的存在。為了研究更重的光子,他和團隊在美國布魯海文國家實驗室的高速加速器上設計實驗。這類實驗也有學者做過,但並未發現任何新奇的東西。丁肇中卻決定不顧多數人的反對,在質子加速器上做了一個精密探測器,從正負電信號中尋找重光子。其難度,用他自己的話說,無異於“一座城市下雨時,要在每秒鐘的100億個雨滴中,找到一個與眾不同的紅色雨滴”。

1974年11月11日,得益於嚴謹的實驗設計和實驗室的全力支持,丁肇中正式宣佈發現了第4種誇克的存在,他稱之為J粒子。同日,斯坦福大學伯頓·裏克特(Burton Richter)領導的另一個團隊也宣佈發現同樣的複合粒子,稱為ψ介子。

J粒子的品質是氫原子的3倍,壽命比一般粒子長1萬倍,這是一種奇特的屬性,丁肇中舉例說,“這個發現的重要性,就等同於我們到深山裏發現了一個偏僻的村子,村民不是100歲,而是100萬歲,跟普通人類不一樣”。此後,第五、第六種誇克被陸續發現,這些基本粒子成為了萬物構成的最小微觀單元,至今無法被直接觀測或分離出來。

J粒子的發現令全球物理學界激動,稱之為“11月革命”。美國物理學家、1979年諾貝爾物理學獎得主謝爾登·格拉肖(Sheldon LeeGlashow)評價稱,在丁肇中進行J粒子實驗前的許多年中,實驗物理學是相當枯燥乏味的。“J粒子的發現是那樣重要,因而許多物理學家現在劃出‘J粒子前’和‘J粒子後’的歷史時期。”麻省理工學院院長傑米韋森讚揚說:“丁肇中的研究已為人類開拓了宇宙的未知領域,並使基本粒子物理學邁進了一個新的境界。”總統福特發來賀電:“這種基本知識上的重大進展,能夠導致科學的更進一步突破,進而造福人類。”

1976年,兩人為此獲得諾貝爾物理學獎,還有美國政府針對物理學界的歐內斯特·奧蘭多·勞倫斯獎。諾獎頒獎典禮上,丁肇中堅持用英語與中文都發言一遍,成為第一位在諾獎典禮上說中文的獲獎者。

“中國有句古話:‘勞心者治人,勞力者治於人。’這種落後的思想,對發展中國家的青年們有很大的害處。由於這種思想,很多發展中國家的學生都傾向於理論的研究,而避免實驗工作。事實上,自然科學理論不能離開實驗的基礎,特別是物理學更是從實驗中產生的。”丁肇中希望通過這次獲獎,能夠喚起發展中國家的學生們的興趣,而注意實驗工作的重要性。

1976年10月18日,丁肇中在瑞典皇家科學院榮膺諾貝爾物理學獎。

04里程碑式的合作

1975年11月7日,已是麻省理工學院物理系終身教授的丁肇中第一次回到曾經生活12年的中國大陸,接待方是中國科學院。他穿上中山裝,參觀了工廠、農村、學校和科研單位。當他舊地重遊,來到重慶瓷器口小學時,甩出標準的四川話,孩子們用四川話回復:“呀,這個日本人,會講四川話。”他還去了從未去過的延安,進村民的窯洞,坐在熱炕上享用小米粥、熬南瓜。

1977年,他第二次回大陸。上一次回來,主要是探親和采風,這一次主要是學術交流。8月11日,鄧小平在人民大會堂接見了丁肇中,希望他能幫助大陸的高能物理研究。他告訴《鳳凰週刊》,鄧小平對物理有很大興趣,因為家裏不少人是學物理的,他希望派遣一個100人的團隊,去丁的實驗室。

丁肇中則提出,學物理和練兵是兩回事,希望中方挑十幾個人來面試,聽他們如何提問題,然後慢慢從問題中瞭解這個人的思考能力如何。“因為學物理要有想像力,考第一名是沒用的,因為考的是前人知道的知識。”

1978年春,丁肇中在德國漢堡的電子同步加速器研究中心主持的實驗組,接待了一行特殊客人——來自中國科學院高能物理研究所的第一批科技人員,丁肇中與中國大陸的合作,就這樣開始了。而彼時距中美正式建交、簽訂《中美高能物理合作執行協議》,還要早上數月時間,因此,這次合作也被視為“中國科技界改革開放具有里程碑意義的事件”。

就像自己早年初到美國讀書時一樣,中國科研人員還不能掌握英語,丁肇中便派包括兩個女兒在內的團隊幫助大家克服語言關。

領隊唐孝威曾在1956-1959年間赴蘇聯杜布納聯合原子核研究所從事高能物理研究,1960年回國後參加兩彈工程,後為中科院高能物理學研究院研究員。據他回憶,在一年多的時間裏,他們參加了丁肇中教授領導的Mark-J探測器的建造、製備、安裝、運轉等工作,對國際第一流的高能加速器物理實驗室有所瞭解,學習了高能物理有關知識,掌握了探測器、電子學、電腦等方面的技術。

1979年,美國《紐約時報》頭版報導了丁肇中團隊通過Mark-J實驗發現膠子的消息,其中特別提到,27名中國科學家參加了這次實驗,“在有關核粒子的國際合作研究專案史上,這是第一次,也是中國的一大貢獻。”

進入1980年代,丁肇中開啟與中國科學家的第二次合作——歐洲核子研究中心LEP對撞加速器上的L3實驗。這個由19國約600名科學家共同參與、耗時21年的大型國際合作實驗,是他科學生涯中的第4個重要實驗。實驗發現,在現在的能量範圍內,宇宙中有3種不同的電子、3種不同的中微子和6種不同的誇克;電子和誇克都沒有體積。

談及中國科學家在L3實驗中扮演的角色,丁肇中曾回憶,L3實驗需要12噸鍺酸鉍晶體,但當時全球年產量只有4公斤,中科院上海矽酸鹽所生產的鍺酸鉍晶體幫了大忙。此外,多位中方科研人員也對數據分析做出重要貢獻。

丁肇中還不遺餘力幫助故土培養科學人才,到1988年,就有260位大陸科技人才去他領導下的物理實驗組裏,其中不乏王貽芳、陳和生、鄭志鵬等中科院高能物理所出身的研究員。後來,他回到老家時還感歎:“搞什麼事業都需要人才。這幾年來,我每次回來,都是經過教育部、科學院,在全國重點大學挑選物理專業學習成績最好的學生到我那裏工作,拿博士學位。遺憾的是,至今還沒有山東的學生。”

05實驗不停

時至今日,丁肇中仍在進行實驗,這又是一個將不可能變為可能的過程,而舞台挪到了更為遙遠的太空。

2011年5月,有著“國際空間站皇冠上的一顆明珠”之稱的阿爾法磁譜儀(AMS)隨“奮進”號太空梭升空,並被安裝在國際空間站上,成為唯一的空間大型磁譜儀。這個重達7.5噸的儀器內含磁鐵,那是整個實驗最為核心的設備,原料來自內蒙古包頭,由中科院電工所、高能所和中國運載火箭技術研究院設計研製並進行多次測試。當宇宙射線進入磁譜儀時,會在磁鐵的影響下偏轉,由於不同粒子的偏轉軌跡不同,因此可以直接研究和測量宇宙中帶電粒子的性質。

在這之前,從沒有人能將這麼大的一塊“磁鐵”放進太空,用來研究宇宙射線的特性和起源,特別是尋找暗物質和反物質。當然,更從未有人想過,因為太難。這好比將一個指南針放進太空,一頭向南,一頭向北,它會不斷旋轉。而丁肇中1994年就決定這麼去做了,那時他58歲,在一些普通人眼中,這已是一個接近退休、該頤養天年的歲數了。

“當時我已經做了很多加速器的實驗,我想下一步,應該挑一個大家都認為不可能的實驗,所以就挑了一個到太空去做的實驗,也就是AMS。”但執行起來困難重重,他在一次院士對談中回憶,當他和美國政府提出這一計畫時,遭到能源部反對,理由是他從未做過太空實驗,而且太過昂貴。

此後數年裏,丁肇中一邊進行實驗準備,一邊遊說政府官員,其間波折不斷。直至2007年,應丁肇中要求,為證明實驗的價值,政府成立了評審委員會,成員包括世界第一流的科學家、美國科學院院士、諾獎得主等,最終獲得了認可。一年後,美國國會通過法案,要求美國航空航天局將AMS運往國際空間站。

如今,AMS已經在國際空間站運行了超過4700個晝夜,收集了超過2373億條宇宙射線數據,它們最終變成數十篇研究成果,帶來了對宇宙的全新認識。比如,“數據分析的結果顯示,沒有一個結果和現有理論是符合的,所以我們的結果把整個宇宙線理論就推翻掉了。”而在未來,它也有望幫助科學家確認高能正電子是否來源於暗物質。

“沒有一件事是你能想像到的,所有都是未知,這就是為什麼這個實驗對我來說非常有意義。”丁肇中說。

走進物理學已近70年,丁肇中聽到太多反對、質疑的聲音,包括他最具代表性的幾個實驗,理由大多是太貴太難、沒有意義、不可能成功,其中不乏許多領域內泰斗級的人物,但丁肇中卻一一做成。他告訴記者,“自然科學的發展是多數服從少數,只有極少數人把別人的觀念以及傳統的觀念推翻了以後,你才能向前走”,類似表達,他在許多場合都強調過。

在實驗物理這條路上,丁肇中沒有遺憾,“我從來沒有做過一個錯誤的實驗,主要原因是我比較小心謹慎,懷疑有沒有錯誤。”如今,當年和他一起發現J粒子的同事大都已經退休,有的已經去世,而88歲的丁肇中依然葆有對實驗物理的熱情和嚴謹的態度,活躍在科研一線。

太空中的AMS仍在回傳數據,地面上的丁肇中也步履不停。每天,早上七八點起床後,他便來到位於日內瓦歐洲核子研究中心的辦公室,這裏可以看到AMS實驗即時更新的數據,他在這裏開會討論、看研究數據,想一想有沒有誤差、有沒有儀器壞了,繼續尋找百億之中那一顆與眾不同的雨滴。

實驗仍在繼續。

記者:陳祥

編輯:盧伊


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