中国实验室|丁肇中：过去四十多年，我一直在找电子的半径
澎湃新闻记者 邱傲文
2016-09-01 19:51
来源：
澎湃新闻
丁肇中，美籍华人，祖籍山东省日照市涛雒镇，1976年诺贝尔物理学奖获得者。近年来，丁肇中在做的一个重要研究是寻找暗物质。他对暗物质的解释是：“宇宙中90%的物质是看不见的，因为看不见，所以称为暗物质。” 在探测暗物质过程中，丁肇中团队使用的阿尔法磁谱仪（AMS）可以捕捉暗物质的“信号”，进而探测到暗物质。
AMS团队有很多来自中国的科研人员，在丁肇中看来，东方的学生过于注重物理理论，轻视实验。去年底，在纪录片《中国实验室》拍摄期间，丁肇中接受澎湃新闻记者采访时表示，很多成绩好的东方学生都喜欢学理论，学量子理论。他觉得这个不是最重要的，因为他也学过很多。对他来说，最重要的是物理实验。因为，再好的理论，没有实验的证明，都没用。同时，学实验的人一定要了解物理的理论。不过，不能信任理论物理，不能说理论物理学家说的物理就是真理，物理学家说的真理经常被实验推翻。
我现在的实验是要了解宇宙的起源
澎湃新闻： 丁教授，我们能先谈谈您当前所做的AMS研究吗？您正在寻找什么，如何选择您的研究小组呢?
丁肇中 ：我现在的实验是要了解宇宙的起源。有几个很简单的问题。
第一个问题，假设宇宙起源与大爆炸。大爆炸之前，没有任何东西。所以，大爆炸的时候，有正的也有负的，要不然不会加起来，没有任何东西。所以，在最开始的时候，有物质，也有同样的反物质。现在宇宙已经140多亿年了，有你，有我，有上海。可是，由反物质组成的宇宙到哪儿去了？这是第一个我们要找的问题。
第二个问题是，你看任何银河系统，它只有一个轨道，向心力和离心力平衡就会有一个轨道，要不然不会有一个轨道。这是什么意思呢？从这个轨道的速度，你可以算出来向心力和离心力是多大。向心力是因银河系统的质量和宇宙总质量互相吸引而来的，从这儿你就可以看出来宇宙的总质量是多少。宇宙的总质量比我们看得见的总质量大十倍，换一句话说，90%的宇宙是看不见的。看不见，暗物质。
参加过AMS项目工作的有600多位科学家，来自德国、意大利、瑞士、法国、美国、中国（包括中国台湾）、韩国等地，此外，还有来自墨西哥的，最近刚加进来的有土耳其和巴西的科学家。
我的团队所有人都要集中精力做事
澎湃新闻： 您如何选择团队成员？
丁肇中 ：跟我工作的人，绝大多数以前跟我工作过。就是说，我唯一的要求是，参加工作的人要把这个实验认为是最重要的事情，不参加别的实验。几乎所有的人都要集中精力做这个实验，就是把加速器上的仪器放到太空。所有这些，从来没有人做过，所以一定要集中精力做这件事情。
澎湃新闻： 对您而言，人生中最重要的事情就是物理学研究？
丁肇中： 做这种别人觉得不可能的事情，别人认为很困难的事情，从事大量国际合作的事情，至少对我来说，一定要认为自己能力上是有限的，要成功做这种事情，要把所有的经历放在这个实验上。其他的事情都是次要的。在我认为，假设你没有这种决心的话，你最好不要做这种工作。
澎湃新闻： 除了您刚刚提到的，每天都在做的基础研究之外，是不是还需要创新思维和毅力？
丁肇中 ：做实验物理的物理学家，第一，你要了解理论，认为会动手的人都能做实验，这个概念是完全错误的，你一定要了解物理发展的趋向。最重要的是你自己应该挑题目。有两种实验物理学家，一种是跟着理论走，第二种是自己找理论，了解物理是怎么一回事。
澎湃新闻： 如果您面试一位科学家，您会问怎样的问题？
丁肇中： 有科学家来找我，通常我还会跟他们谈话，因为这是年轻的科学家，都是他们问我问题。因为我问他们问题，永远可以把他们问倒，但是他们问我问题，我可以从他问什么样的问题，了解他们的思想是什么样的。
我给你一个很简单的例子。大概二十年前，我在实验室做实验，突然来了一个个子很高的人，穿得很破烂，挡住我说：“丁教授，我可以跟您谈一谈话吗？”我说“好”，我们就在咖啡厅坐下来了。坐下来他就说：“我才从波兰逃出来，我没有任何证件，我是学物理的，我愿意做你的学生，希望你能把我派到MIT（麻省理工学院）当你的学生。不过，我什么证件都没有。”我说“好，那我们到我办公室去。”
那个时候大概是礼拜六下午，很晚，已经六七点钟了。到我办公室，我就请他坐下来，我说“你问我问题”，然后我们就谈了三个钟头。三个钟头以后，我就决定，虽然他没有任何文凭，没有任何成绩单，也没有毕业证书，我还是写了封信给MIT说我收这个学生。虽然他是不合法的，但我收这个学生。现在他是MIT的正教授，前几天才认命为MIT核能所的所长。
所以说，从别人问你的问题里，你可以了解到他的思想。因为，对物理学家来说，找题目是最重要的事情。
澎湃新闻： 此前，我们采访欧洲核子研究中心（CERN）的负责人时，他说LHC（大型强子对撞机）项目的长度超过了任何物理学家事业的长度。出于这个原因，他们努力招募年轻科学家，因为他们想延长项目的生命。这个问题也是您的研究中要考虑的因素吗？
丁肇中： 我找科学家，最主要是他对项目有兴趣，至于任何其他的事情，我不考虑。就是这个人，有没有能力，有没有创造力，有没有敢做他人不敢做的事情，能想出他人想不到的事情。其他方面的事情是一个管理者要考虑的，一个专门做物理的人是不考虑的。
用实验证明理论，没有什么意义
澎湃新闻 ：在您的职业生涯中，您最自豪的是哪个角色，是物理学家吗？
丁肇中： 我所有的实验中共有五六个比较重要。每一个实验都有两个特点：很多学理论的人都说这个实验是没用的，没有意义的；学实验的人呢，认为这么困难的实验没有人能做出来。
为什么有这么多人跟我一起合作？因为每一个实验的结果都对物理学有贡献。因为对物理学有贡献，所以世界上很多国家的政府鼓励它们的物理学家长期跟我合作。合作和援助是两回事情，合作对双方都有利益。那些物理学家愿意跟我合作，他们的政府愿意支持他们跟我合作，因为我们每一个实验都有很重要的贡献。
我从来没有做过错误的实验。你要是经常做错误的实验，没有意义的实验，物理学家能推测出来的实验，那就没有意义了。
澎湃新闻： 作为一名科学家，什么是对您更大的回报？发现结果和理论匹配，还是发现结果和理论不匹配？
丁肇中： 对我来说，证明理论是没有什么意义的，当实验推翻了理论以后，你才可以有新的理论，一步一步向前走。理论是不可能推翻实验的，如果实验结果和理论不符合，那一定是理论错误了。
澎湃新闻： 您正在做的AMS实验发现了什么？
丁肇中 ：到现在（2015年8月）为止，这个AMS实验已经做了四年，总共收到680亿个宇宙线，可以精确地测量这个宇宙线现象。680亿，大大多于过去100年里面全球收集过的总和。现在我们所测量的每一个结果，都和以前100年测量过的不一样，已经开始改变人类对宇宙线的了解。
澎湃新闻 ：1970年代获得诺贝尔奖的时候，您在获奖感言中说“发展中国家经常过于强调理论科学，不太重视实验”，今天您还是这个看法吗？
丁肇中：我在1976年拿诺贝尔物理学奖的时候，在我之前有杨振宁先生和李政道先生拿了诺贝尔奖，我是第三个拿诺贝尔奖的华裔血统的人。但我发现，诺贝尔奖除了中文，每种文字都有，所以我就决定用中文演讲。
后来我就想着挑什么题目，我注意到，比方说《四书五经》或者《康熙字典》上，讲的绝大多数是人与人的关系。没有人，或者很少有人讲人与大自然的关系。我就想，这是怎么一回事？我注意到，很多成绩好的东方学生都喜欢学理论，学量子理论，我觉得这个对我来说不是最重要的。我也学过很多。对我来说，最重要的是物理实验。因为，再好的理论，没有实验的证明，都没用。同时，学实验的人一定要了解物理的理论。不过，不能信任理论物理，不能说理论物理学家说的物理就是真理。物理学家说的真理，经常被实验推翻。
过去四十多年，我一直在找电子的半径
澎湃新闻： 能告诉我您对理查德•费曼（Richard Feinman，1918-1988年，美国理论物理学家）的理论的理解和如何证明他的理论吗？
丁肇中： 我第一个重要的实验，就是测量电子的半径。1960年代初期，哈佛大学有一个组，这个组的主持人叫Frank Pipkin，是很有名的科学家。他做了一个实验，测量电子半径，发现电子是有半径的，是10-13厘米到10-14厘米。没多久，康奈尔大学有一个很有名的队伍也发现同样的结果。两个不同的实验得到同样的结果。
可是，根据费曼、施温格（Julian Schwinger，1918 –1994年，美国理论物理学家）还有一位日本物理学家叫朝永振一郎（1906－1979年）三人所开创的量子电动力学的重要假设，电子是没有半径的，半径是测量不到的。结果他测量出这个，就表示那些物理学家是错误的，1960年代初期的时候，这是一个非常重要的题目。
那时候我刚拿了博士学位（1962年——编注），从来没有做过这种实验。那两组花了很多年做这个实验，我就一个人，决定到美国问他们（当时丁肇中供职于瑞士日内瓦欧洲核子研究中心——编注）。他们说你可以参加我们的组，不过我们没有理由支持你，因为你从来没有做过实验，别人也不了解你。后来，我到德国汉堡的德国电子同步加速器实验室（DESY），我就跟他们提出这个，那时候组织这个实验的人说欢迎你来，费用我们出，我就去了。
去了以后，过了八个月，我完成了一个实验，证明结果找不到电子的半径，那时候测量电子半径小于10-14厘米。小于不是等于，就是电子是测量不了半径的。
从那时开始，我记得大概是1966年、1967年的时候，有一个大型的国际高能物理会议，那两位做了报告，我做了第三个报告，因为那时候没有人知道我是谁，所以那两个人做了很长时间的报告，我的报告只有十分钟，就讲我的结果跟他们两个不一样，我的结果是电子是测量不了半径的。那时候，理查德•费曼坐在里面，听了以后来找我了，从此以后我们经常有来往。
澎湃新闻： 那个实验的结果到今天看还是真的吗？
丁肇中 ：过去四十多年，我一直在找电子的半径，最初是10-14厘米，现在证明是小于10-17厘米，就是小了三个数量级。花了四十年，小了三个数量级，可是还是没有找到电子的半径。为什么别人相信我的实验？我做完以后，其他的人也证明我的实验是对的。所以证明一个实验是对的，和理论是没有关系的。在不同的时间、不同地点、不同方法下，别人能做出来跟你有同样结果的实验，那就证明你是对的。
我不认为AMS在国际空间站的应用是很大的成就
澎湃新闻： 想到AMS在国际空间站的应用，您觉得很有成就吗？
丁肇中： 我并不认为这是一个很大的成就。虽然这是第一次把磁谱仪放到天上去，同时收到很多的数据。我告诉我们所有合作的人，在今后二十到四十年之内，不可能有人再放一个这么精密的仪器到天上去。第一，需要大量的国际协作，第二，需要很多的经费，第三，现在没有航天飞机，不可能把这么大的仪器载到天上去。所以，我们最重要的任务是，保持这个实验的结果是正确的。因为没有人可以来校对我们，没有人再可以放到天上去。所以每一个结果，通常有两个国家，有时候四个国家，同时分析。等这四个结果分析误差小于1%的时候，我在这四个里面选一个，然后发表。
澎湃新闻： 您能告诉我们AMS项目的融资情况吗？按照我们理解，2008年航天飞机计划被取消是资金出了问题。您能告诉我们您是如何挽救AMS项目的吗？
丁肇中 ：这个实验，很多国家都认为是非常重要的，所以从来没有经费的问题，从来没有碰到经费的问题。把这个实验放到天上需要航天飞机。航天飞机出过两次事情。第一次我记得是1978年的1月28日，第二次是2005年或者2004年2月。
因为出了事情，当时美国宇航局的局长就说航天飞机，载人航天，或者国际空间站，都不重要。重要的是载人到火星上。宇航局局长就决定把所有空间站上的实验，包括生物实验、小型物理实验，都取消了。因为所有经费都来自美国宇航局，所以只能服从政府的命令。我认为这个决定是错误的。美国能源部就主持了评审委员会，能源部的人问我怎么办？我就跟他说，你最好的办法是组织一个委员会，请美国科学院的院士，包括诺贝尔奖获得者在内的第一流科学家来看，我们这个实验值不值得做。
所以在2007年9月23日，在华盛顿有一个评审会，我请了我们所有国家最主要的科学家去参加。评审会很严格，我同事也请了美国国会的人去旁听。评审会后，美国能源部管科技的副部长就写了封信给宇航局局长说：世界上第一流的科学家认为，这是最重要的实验，虽然你不用航天飞机载我们到天上去，但我们能源部继续支持把这个实验完成。没多久，美国国会参议院、众议院的人慢慢就知道这件事。美国的《纽约时报》、《华盛顿邮报》上都有长篇报道讲宇航局这个决定。
到2008年国会全体通过了一个法律，指定美国政府一定要增加一班航天飞机把我们的设备送到天上去。因为是全体通过，所以总统就在2008年10月15号签署了这个法律，就这样，我们很侥幸地把AMS载到天上去。（美国东部时间2011年5月16日上午，阿尔法磁谱仪由美国“奋进”号航天飞机送上国际空间站。——编注）
澎湃新闻： 未来，AMS项目第二阶段的资金仍然由美国提供支持吗？
丁肇中： 美国所花的钱是只到空间站，航天飞机的运输费、AMS的制造费，美国花的钱很少。还有很多资金来自中国大陆、中国台湾、意大利、德国、法国、瑞士等亚洲和欧洲国家和地区。仪器的制造不是美国出钱。美国能源部所出的是整个电子仪器系统的经费。到了天上以后，空间站每年大概要花费30亿美金，我们用的钱就很少了。
国际合作要选一个题目让大家都很有兴趣
澎湃新闻 ：制造AMS的过程有很多国家和地区参与，我很好奇，您是如何确定中国大陆负责永磁，中国台湾负责这部分，德国负责那部分？
丁肇中： 这个问题很重要。要国际合作，最主要的是你选一个题目让大家都很有兴趣，有人认为很重要。我并没有权利控制项目经费，他们参加我的实验，最主要的是因为他们觉得我的实验很重要。
我有一个习惯，对重要国家的贡献，在国际会议上，我就请它们国家的人来发表，我不会像很多科学家一样，所有的事情都由自己来发表。其实我很少参加国际会议，除了非常必要的情况我做个开幕式或闭幕式演讲以外。我叫每一个国家有贡献的人参加会议。
仪器的选择上大致怎么做？比如说法国人认为这块地方该放这样的仪器，而德国人认为应该放另外的仪器。那我决定选谁呢？每一个国家都花了很多经费去研究这个仪器。最后只能选择一个，因为一个地方只能放一个东西。我们每三个月就开一次讨论会，不管你是大学教授还是国家实验室主任（我们队里还有包括大学校长等等，日内瓦大学校长以前也在我们组里），或者你是一个即将进来的研究生，任何人都可以发言。
会议的日程我来决定，就是说我坐在前面，其余的人，每一个人都可以发言，发言可以很长也可以很短。只能讲科学技术，其他任何事情不能讲。我在上面听，我听懂了，就做一次决定，做了决定以后就不能改了。我没有听懂，大家可以讨论，讨论以后，我还是没有听懂的话，我就说下次开会再讨论，同时我去问懂行的人，因为我绝对不可能每个题目都懂。有任何一点怀疑的事情，我一定问别人。
等我完全懂了以后，我就做一次决定。为什么大家现在继续一起合作，从来不离开？主要原因是到现在为止，还没有做过一个错误的决定。如果经常做错误的决定，别人就不跟你合作了。
我没有做过任何错的实验
澎湃新闻： 您认为在您的职业生涯中，您从来没有做过错误的决定？
丁肇中 ：到现在为止，还没有做过任何错的实验，可是这并不代表明天不会有，后天不会有，因为任何人的能力都是有局限的。比方说仪器是非常复杂的，因为它缩得很小。任何仪器都会有不正常的现象，最主要的是，要知道什么仪器有不正常的现象，什么时候有不正常的现象，这样你就可以把这一块的数据取消掉。假设仪器有故障而你不知道，那你就会做错误的事情，得出错误的结果。
澎湃新闻： 作为一名科学家，您认为，相信自己和相信您的团队哪个更重要？
丁肇中： 最主要的是你的小心谨慎，怀疑自己的能力。怀疑自己的能力，这是最重要的。了解清楚了以后，对我来说，我做一个决定以后，还没有改过的经验。当然，我比较侥幸，跟我合作的人确实是非常非常好的科学者，他们的贡献很重要。这个团队的成功绝对不是我一个人的成功。
中国科学家对AMS做了非常重要的贡献
澎湃新闻： 我们想问一些关于中国的问题和您对中国的印象。您曾经在德国汉堡的电子同步加速器实验室工作，现在还在欧洲核子研究中心工作，也曾经在中国生活过一段时间，这些地方的科学工作环境有哪些不同？
丁肇中 ：我在中国住还是小时候，那时候正处于二次大战，没有什么科学研究。我记得那时候，我父亲在重庆大学教书，后来在重庆兵工学校教书。我还记得他带我去看一个科学展览，所有的科学展览都非常非常简单，那时候大概七八岁，不过给我留了一个很重要的印象。
中国的科学现在发展得怎样？应该怎么发展，我并不了解。因为我不住在中国大陆。不过我觉得，我离开中国大陆的时候（1948年丁肇中随父母离开大陆去了台湾），1948年，中国当时是非常非常落后的国家。可是从1948年到现在，有航天工程，有火箭，有空间站，同时中国航天的事情绝大多数是自己做出来的，我认为这是非常值得骄傲的事情。
澎湃新闻： 参与AMS项目的中国科学家怎么样？您对他们的贡献有怎样的印象？例如永久磁铁。
丁肇中： 中国科学家参加AMS做了非常重要的贡献。尤其是中国科学院电工研究所制造的磁铁，和航天部一院一起做出来的。在此之前，没有人做这么大的磁铁，直径1.1米，高0.8米，总共重约2.6吨。从来没有人把磁铁放到天上，因为依据指南针的原理，你把磁铁放到天上，一头向北一头向南，航天飞机马上就失去控制了。这是一个决定性的贡献，中国科学院高能无理研究所也参加了这快磁铁的制造。
澎湃新闻： 山东是您的故乡，你能说说山东大学的参与吗？它们对整个项目做了怎样的贡献？
丁肇中 ：山东大学所参加的是热传导系统。有一个很能干的教授程林，做的是传热系统。怎么样保持这个仪器的恒温？空间站每93分钟绕地球一周，白天的时候温度很高，晚上的时候温度很冷，可是白天晚上最多是93分钟，怎样保持恒温？这个主要是山东大学程林教授的团队和美国MIT、美国航天局还有中国台湾的中山科学院一起合作的。山东大学确实做了非常重要的贡献。
澎湃新闻 ：通过您的实验，您对山东以及参与永磁团队的成员有怎样的印象？科学在如何改变中国？
丁肇中： 我第一次再到中国是1975年，到现在有很大的进步。不但是高能物理，比方说在大亚湾核电站的王贻芳教授所做的中微子实验，这是个非常重要的实验，再比方说空间站。所以说是非常非常大的进步。
100%的时间花在实验上
澎湃新闻： 据说，您工作之外很少参与社交活动，您不想把时间花费在没有参与您的研究的人身上，是真的吗？
丁肇中 ：因为我100%的时间花在实验上。空间站绕着地球每93分钟一周，没有白天晚上，没有礼拜六礼拜天，所以我很少能有私人来往。同时，这也是一个习惯。
比方说，MIT有很多教授原来是我的学生，跟我学习，拿到博士学位，然后从副教授做到正教授，有的跟我40多年了，我从来不到他们家去的。有时候我请他们吃饭，就到我办公室吃，他们对工作有怀疑的时候，我就请他们来吃饭，一起讨论。所以一般没人愿意跟我吃饭，因为吃饭的时候就是讨论物理。