【丁肇中獲頒諾貝爾物理獎40週年專題】丁肇中院士研究的歷史意義

照片為丁院士提供,請勿任意轉載。
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撰文|中央大學物理系 張元翰教授

丁肇中院士從事粒子物理研究近60年,進行多項重要的實驗,獲得空前的成果,也得到了諾貝爾獎的肯定。在粒子物理領域裡,他數度開創新局,做出前人無法想像的發現。對物理的貢獻,已經成為一個傳奇。他的研究方法與對問題的取材,影響深遠,隱隱形成一個流派。丁院士物理研究的歷史價值,至少可以從以下三方面來看:

(1) 對物理的影響:丁院士獲得諾貝爾獎的工作,是發現了J粒子。這個發現對後續粒子物理的進展有劃時代的影響,被稱為粒子物理的November Revolution (十一月革命)。會被稱為「革命」,就在於這個發現造成多方面的突破,形塑了現代的基本粒子理論。在J粒子發現之前,粒子物理正處於一個相對混亂的時刻。當時夸克理論和電弱作用理論已被提出,成功地解釋了許多現象。但是,很多人並不認同夸克是一個實體存在的粒子,而夸克只有三種的想法深植人心。電弱作用理論則仍有缺陷,跟某些實驗結果有重大的出入。另外,強作用力的理論(量子色動力學)也已經存在,卻沒有一個好的系統可以驗證其預測。

1974年11月J粒子的發現,一舉解決了這些問題。其後一年內,夸克模型完全被大家接受,也了解到J粒子是由第四種夸克所組成。大家揚棄只有三種夸克的想法,轉而接受夸克有兩個家族、每個家族包含兩種夸克的電弱作用理論。在其後20年間,又發現了第五和第六種夸克的第三個夸克家族。第四種夸克的存在也讓電弱作用的缺陷不再存在,可以完整解釋所有已知的實驗結果。另外,J粒子提供了一個可以驗證量子色動力學的環境。這些改變,很快的讓物理學家接受了基於夸克理論、電弱作用、量子色動力學的「標準模型」。這個模型一直到現在仍然是粒子物理的基本理論。從這裡可以看出,J粒子的發現,讓基本粒子理論的各個片段得以統合在一起,稱為「革命」實不為過。

丁院士早期進行量子電動力學的研究,證實了該理論在高能作用下的正確性,打破前人的錯誤結論。J粒子實驗之後,他進行正負電子對撞的Mark-J實驗,發現「三噴流

的現象,從而首次觀測到量子色動力學理論中的關鍵成員「膠子」之證據。在1980年代後期到2000年間,丁院士進行L3實驗,研究標準模型的各種性質,並證明微中子只有三種。1990年代後期,他開始設計AMS實驗,研究宇宙中的暗物質與反物質。這個實驗突破種種困難,首次將大型粒子物理探測器放到太空中進行宇宙射線的觀測。AMS現在正在進行中,我們期待重要的物理結果。

綜觀丁院士的各項物理成果,一概都是在解決當時物理界最基本的問題,他的成果往往帶來革命性的影響。對物理發展有偉大的貢獻。

(2)對研究方法的影響:丁院士在研究方法上有他獨樹一格的風格。他重視儀器的精確度,不論原先設定的實驗目標為何,一概要求儀器達到最高的精確度,並在實驗過程中反覆校正。正因為如此,他才能發現無法預期的新現象,從而獲得重要的成果。他曾經說過,儀器的進步,是帶動物理進步的關鍵。這個態度,對現代的高能實驗造成很大的影響。

他的實驗設計,造成許多實驗方法概念上的進展。例如,他在對撞實驗中,重視電子、緲子與光子的精確測量,設計最好的電磁量能器,再加上放在外圍、完全獨立而精確的緲子探測器。這個概念深深影響後來的LHC(大強子對撞機)實驗。另外,他從不侷限於使用某個特殊的技術,而是針對物理的需求,尋找最好的儀器,只要實驗有需求,他的團隊便會立刻投入開發最適合的技術,並設計製造出最先進的儀器。以這樣的精神,丁院士開發了很多全新的探測器,例如J粒子實驗的雙臂譜儀、L3的BGO晶體探測器、太空中運行的磁譜儀等等,都是超過當時水平的設備。這樣的能力,讓他一直保持在實驗物理最領先的地位。

丁教授對實驗室一絲不苟的管理,一向讓人津津樂道。尤其是強調在實驗進行中,值班人員必須專心一致,不得從事任何其他活動的嚴格要求,常被視為不合情理。對於實驗數據的分析,一定要有至少兩組人員同時獨立進行,也經常讓人以為是多餘的。然而,丁院士在粒子物理界有「從不出錯」的名聲,正是從這樣的細節中達成。

(3) 研究精神的啟發:丁院士在J粒子發現的過程,碰到層層阻礙。幾乎所有同時期的物理學家都不相信他的想法。他提出的實驗構想,被各個加速器中心拒絕。也有著名的物理學家認為他的實驗不需要那麼高的精確度,要求他降低精確度以節省經費。丁院士不為所動,堅持自己的信念,終於獲得震驚世界的成果。其實,在他早期的其他實驗中,就多次以精確的實驗,打破前人的錯誤結論。他勇於挑戰權威,

拒絕盲從專家的「定論」,永遠保持懷疑態度和獨立思考的精神,對後人有很大的啟發。

丁院士專注於研究的毅力與對物理的執著,在物理學家中極為少見。他在進行任何一項實驗時,都是全心全意,一切以實驗的成功為最高優先。除了實驗相關的工作,他從不擔任行政職務,推拒了許多政府職位的邀請。一直到現在年過八十,仍然以實驗室為家。他也從不畏懼任何困難,經常以一己的意志力,在不可能中創造奇蹟。例如,AMS實驗建造中期,美國太空總署突然宣布將取消載運AMS到太空站的計畫。當時許多人都認定AMS已無希望,丁院士則完全不為所動,盡全力各處奔走,說服美國國會及行政部門,終於讓AMS順利升空。這樣不屈不撓的意志,讓所有物理學家都非常佩服。

丁院士的研究成果與研究精神鼓舞了許多有志於科學研究的華人。尤其是他重視實驗的態度,有非常長遠的影響。丁院士在諾貝爾獎典禮的演講,對這一點給了最好的說明,他說:

    得到諾貝爾獎,是一個科學家最大的榮譽。我是在舊中國長大的,因此想借這個機會向在發展國家的青年們強調實驗工作的重要性。

    中國有一句古話:「勞心者治人,勞力者治於人。」這種落後的思想,對在發展國家的青年們有很大的害處。由於這種思想,很多發展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,物理學是從實驗産生的。

    我希望由於我這次得獎,能夠喚起在發展國家的學生們的興趣,而注意實驗工作的重要性。

丁院士對實驗粒子物理的深遠影響,將持續指引未來物理的發展。他的傳奇仍在進行中,AMS實驗在他的領導下,正持續發表全新的結果,大幅改進我們對宇宙射線的認識。我們期待在不久的將來,再次聽到他在基本物理上的重大發現。

 

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