自然科學(xué)論文選讀
尋找宇宙中的基本粒子
如何尋找宇宙中最基本的粒子呢？現(xiàn)在我用四個(gè)故事向大家介紹一下，這些故事是我在過(guò)去的三十年里所親身經(jīng)歷的。
第一個(gè)故事是測(cè)量電子的半徑。現(xiàn)代電磁學(xué)的理論認(rèn)為電子的半徑為零。在1964年的時(shí)候，美國(guó)的麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)制造了一個(gè)當(dāng)時(shí)最大的加速器，這個(gè)加速器周長(zhǎng)為1000英尺。當(dāng)電子在加速器中旋轉(zhuǎn)時(shí)就產(chǎn)生光子，光子具有60億的光子能量，因?yàn)楣庾幽芰亢芨撸钥纱蛉腚娮印．?dāng)時(shí)來(lái)自哈佛大學(xué)和康乃爾大學(xué)的世界上很有名的專家，在這個(gè)加速器里做一個(gè)很重要的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時(shí)證明量子電動(dòng)力學(xué)是錯(cuò)誤的，電子是有半徑的。這是一個(gè)非常重要的實(shí)驗(yàn)。1966年，我在德國(guó)用不同的方法重新做了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電子的半徑確實(shí)小到不可測(cè)量，電子是沒(méi)有半徑的，這是實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和理論的預(yù)測(cè)等于1，等于1即是說(shuō)電子的半徑等于零，也就是說(shuō)以前許多專家所做的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是錯(cuò)誤的。所以我第一個(gè)體會(huì)是不要盲從專家的結(jié)論。
第二個(gè)故事是關(guān)于新粒子加速的發(fā)現(xiàn)。到了七十年代，所有已經(jīng)知道的基本粒子都可歸結(jié)為由三種夸克組成，所有的現(xiàn)象都可以用三種夸克來(lái)解釋。我就問(wèn)為什么宇宙中只有三種夸克？為了尋找新粒子，我決定建造一個(gè)高靈敏度的探測(cè)器。當(dāng)時(shí)我決定將新夸克和舊夸克的靈敏度達(dá)到一百億分之一。何為一百億分之一呢？上海下雨的時(shí)候，大概每秒鐘有一百億個(gè)雨滴，其中有一個(gè)是藍(lán)的，要把它找到。但這個(gè)實(shí)驗(yàn)不受物理界的歡迎。第一，當(dāng)時(shí)的所有物理現(xiàn)象都可以用三種夸克來(lái)解釋，所以人們不需要第四種夸克；第二，沒(méi)有人相信這種困難的實(shí)驗(yàn)可以做成。因此這個(gè)實(shí)驗(yàn)幾乎被天下所有的加速器拒絕了。后來(lái)，終于在美國(guó)的布爾凱文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室用ajs做了這個(gè)實(shí)驗(yàn)。我們發(fā)現(xiàn)了一種很新的粒子，完全想像不到的一種粒子。這是正電子負(fù)電子質(zhì)量到達(dá)3.1的時(shí)候，突然就產(chǎn)生一個(gè)很高的峰，根據(jù)以前所有的理論，這個(gè)峰是不應(yīng)該存在的，找到這種j粒子以后，很快和這種j粒子同樣一種加速的粒子就存在了。這是j粒子，j粒子有一個(gè)加速，這個(gè)加速和正負(fù)電子加速的性質(zhì)是一樣的。所以當(dāng)我們完成了布爾凱文（地名）國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)以后，我們發(fā)現(xiàn)了一種全新的夸克，這種夸克有很特別的性質(zhì)，第一它們質(zhì)量比其它所有粒子重三倍；第二，它的壽命比其它所有粒子長(zhǎng)1000倍，這意味著什么呢？大家都知道，所有的人在世界上活到100歲左右，但你突然發(fā)現(xiàn)一個(gè)村子里的人能活到10000歲，這就表示這些人可能有很特別的性質(zhì)，這種長(zhǎng)的壽命可能由新的夸克組成。所以，以前的人認(rèn)為只有三種夸克的看法是錯(cuò)誤的，當(dāng)然，有了這第四種夸克，你就可以問(wèn)有沒(méi)有第五種、第六種——至今為止，已發(fā)現(xiàn)了六種。因此我的第二個(gè)體會(huì)是永遠(yuǎn)要對(duì)自己有信心，做你自己以為正確的事，別人反對(duì)是別人的事。
第三個(gè)故事是關(guān)于1979年膠子的發(fā)現(xiàn)。大家都知道在原子里有電子和原子核，電子和原子核之間的力由光子傳送。在質(zhì)子里有不同的夸克，夸克之間的力在理論上來(lái)說(shuō)是由膠子傳送。那時(shí)我們正在德國(guó)用正電子負(fù)電子對(duì)撞接力做一個(gè)量子電動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)，在做這個(gè)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，突然想到假設(shè)用正電子負(fù)電子對(duì)撞這種理論是對(duì)的話，則可以產(chǎn)生夸克、反夸克和膠子，這樣的話就會(huì)出現(xiàn)三個(gè)噴柱的現(xiàn)象。果然當(dāng)正負(fù)電子對(duì)撞的時(shí)候，當(dāng)膠子能量很小的時(shí)候，只有兩個(gè)峰；當(dāng)膠子的能量增大的時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)三個(gè)噴柱現(xiàn)象。三個(gè)噴柱現(xiàn)象的存在就表示膠子是存在的。當(dāng)年，美國(guó)物理學(xué)會(huì)對(duì)這個(gè)事例作了詳細(xì)介紹。雖然最初這套實(shí)驗(yàn)儀器并非為這個(gè)實(shí)驗(yàn)而設(shè)計(jì)的，但卻獲得了意外的結(jié)果。所以第三個(gè)體會(huì)就是對(duì)意料之外的事情要有充分的準(zhǔn)備。