[影音] 丁肇中诺贝尔物理奖40周年大师演讲

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[影音] 丁肇中諾貝爾物理獎40周年大師演講

● 讲题:我所经历的实验物理

● 时间:2016/7/3(日) 14:30-16:30 

● 地点:台湾大学物理系国际会议厅

● 讲师:中央研究院院士兼美国麻省理工学院教授 丁肇中


■ 1976年,丁肇中院士以其在粒子物理领域的贡献获得诺贝尔奖。如今年过八十的丁院士仍未退休,全心全意继续进行实验工作,不断有新的研究计画与结果产出。2016年7月3日,丁院士于台湾大学进行科普演讲,分享将近六十年来,他在实验粒子物理上的经历与态度。

[影音] 丁肇中诺贝尔物理奖40周年大师演讲

●不被支持的实验

「科学是多数服从少数,只有少数人把多数人的观念推翻后科学才能向前。专家评审并不是绝对有用的,因为专家评审是依靠现有的知识,而科学的进展是推翻现有的知识。」

丁肇中院士的许多实验对最基本的物理概念带来革命性的影响。能够有这些惊人成果,源自于丁院士勇于挑战权威、绝不盲从的研究精神:即使屡遭挫折,却始终坚信自己的信念,最后做出改变「定论」的结果。这样惊人的意志在他早年的研究中便已显现出来。

一九六〇年代,哈佛大学与康乃尔大学分别以两个不同实验测得电子体积,此结果与量子电动力学相反,并受到当时物理学界的认可。丁院士认为这是关于物理基本观念的问题,决定以不同的方法测量电子半径。当时丁院士刚拿到博士学位,没有太多经验,没有人相信他能做出什幺新的结果。丁院士因此四处碰壁,甚至为此放弃了在美国大学的前途,前往德国兴建新的加速器进行实验,在历时八个月之后得到与量子电动力学相符的实验结果——电子没有体积。

丁院士获得诺贝尔奖的实验也有相似的过程:为了寻找新夸克所设计的实验要求高达百亿分之一的灵敏度,非常困难,而且当时三种夸克便能解释所有已知现象,物理学家普遍相信夸克只有三种,因此这个实验几乎遭到所有实验室拒绝,实验最后由美国的布鲁凯文实验室接受,结果发现了由第四种夸克组成的J粒子,改变了人类对世界基本组成的认识。

●严谨与坚持不懈的态度

丁院士的执着与毅力也显现在他对实验精準度的重视上。任何技术、经费、甚至政治问题,都不能成为限制精确度的因素。在这样的要求下,丁院士的研究往往能开发出新的仪器、技术,从而带动物理学、乃至工业的进步。

过去二十年来,丁院士的研究着重在阿尔法反物质太空磁谱仪(AMS, Alpha Magnetic Spectrometer)上。AMS是一座架设于国际太空站上的粒子探测器,能够不受大气层屏蔽侦测大量高能宇宙射线。要发射到太空中的仪器既需要缩小,又需要精确度,再次被所有人视为不可能的任务,最后还是全部由实验团队开发的新技术完成。且为了谨慎,所有的探测器都做了两套,除了架设在太空站之外,另一套在地面进行测试。而如今AMS所测得的每一笔数据,也都需要经过四个不同实验组分析之后,得到相同的结果才能发表。

AMS如此大型的实验,却一度差点胎死腹中。当时美国太空总署(NASA)计画将所有金费投入在火星登陆,其他实验一概取消。当其他科学家都已噤声,只有丁院士仍坚持己见,四处游说,最终才让美国国会通过法令,让AMS得以顺利升空。

二〇一一年五月,在经过无数次的测试与检查后,AMS已经装到了太空梭中準备起飞。在发射的前两天,丁院士到了火箭上,请数百名工作人员离开:「我就坐在那里想,过去花了十六年时间做这个仪器,到底所有的仪器、决定,有没有错?有什幺地方不安全?虽然已经放进去了,但如果有什幺地方不安全,绝对不能让它飞。我记得大概坐了四个钟头,四个钟头后没有想到什幺错误,我就离开了。」

●从实验产生的物理学

「如果实验的结果完全与现有理论相符时,那是非常不幸的事,因为实验和理论符合就学不到新的东西,只有实验和理论有冲突后才有新的东西。」

「科学最重要的目标是探索未知、探索自然界中存在,但我们无法想像,也不曾发现的现象。」在近代物研究的进展中,新仪器所做出的实际发现往往与原定目标不同。以去年(2015)获得诺贝尔奖的微中子震荡为例,日本的超级神冈号原本是设计用来量测质子寿命,却意外地发现微中子带有质量,推翻了旧有的理论。作为一个实验物理学家,丁肇中院士不断强调科学实证的重要性:「只有能实验能推翻理论,理论不能推翻实验。」他在诺贝尔奖颁奖典礼的演讲上也特别强调了这一点:「自然科学理论不能离开实验的基础,特别,物理学是从实验产生的。」而丁院士各项卓越的研究成果也启发、鼓舞了当时许多有志于从事实验物理的华人科学家。

丁院士对实证的重视在AMS的主要研究目的之一——寻找暗物质中可见一斑:在2013年与2014年发表的研究结果中,AMS已经测得了与目前宇宙模型理论非常相近的数据,许多国际媒体纷纷报导已经找到暗物质,但谈起这样的成果,丁院士语气中并无一丝骄傲,他二度说到:「(暗物质的存在)这是不对的」,因为最后一阶段的数据还没做出来。而在演讲后的问答时间,面对许多与实验无关的问题,丁院士也以简洁的「我不知道」回答,所谓「知之为知之,不知为不知,是知也。」再次让听众见识了一个实验物理学家谨慎且实事求是的精神。