【會後報導】丁肇中院士主講:「我所經歷的實驗物理」

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■一九七六年,丁肇中院士以其在粒子物理領域的貢獻獲得諾貝爾獎。如今年過八十的丁院士仍未退休,全心全意繼續進行實驗工作,不斷有新的研究計畫與結果產出。二〇一六年七月三日,丁院士於臺灣大學進行科普演講,分享將近六十年來,他在實驗粒子物理上的經歷與態度。

撰文|李宛儒

●不被支持的實驗
「科學是多數服從少數,只有少數人把多數人的觀念推翻後科學才能向前。專家評審並不是絕對有用的,因為專家評審是依靠現有的知識,而科學的進展是推翻現有的知識。」

丁肇中院士的許多實驗對最基本的物理概念帶來革命性的影響。能夠有這些驚人成果,源自於丁院士勇於挑戰權威、絕不盲從的研究精神:即使屢遭挫折,卻始終堅信自己的信念,最後做出改變「定論」的結果。這樣驚人的意志在他早年的研究中便已顯現出來。

一九六〇年代,哈佛大學與康乃爾大學分別以兩個不同實驗測得電子體積,此結果與量子電動力學相反,並受到當時物理學界的認可。丁院士認為這是關於物理基本觀念的問題,決定以不同的方法測量電子半徑。當時丁院士剛拿到博士學位,沒有太多經驗,沒有人相信他能做出什麼新的結果。丁院士因此四處碰壁,甚至為此放棄了在美國大學的前途,前往德國興建新的加速器進行實驗,在歷時八個月之後得到與量子電動力學相符的實驗結果——電子沒有體積。

丁院士獲得諾貝爾獎的實驗也有相似的過程:為了尋找新夸克所設計的實驗要求高達百億分之一的靈敏度,非常困難,而且當時三種夸克便能解釋所有已知現象,物理學家普遍相信夸克只有三種,因此這個實驗幾乎遭到所有實驗室拒絕,實驗最後由美國的布魯凱文實驗室接受,結果發現了由第四種夸克組成的J粒子,改變了人類對世界基本組成的認識。

●嚴謹與堅持不懈的態度
丁院士的執著與毅力也顯現在他對實驗精準度的重視上。任何技術、經費、甚至政治問題,都不能成為限制精確度的因素。在這樣的要求下,丁院士的研究往往能開發出新的儀器、技術,從而帶動物理學、乃至工業的進步。

過去二十年來,丁院士的研究著重在阿爾法反物質太空磁譜儀(AMS, Alpha Magnetic Spectrometer)上。AMS是一座架設於國際太空站上的粒子探測器,能夠不受大氣層屏蔽偵測大量高能宇宙射線。要發射到太空中的儀器既需要縮小,又需要精確度,再次被所有人視為不可能的任務,最後還是全部由實驗團隊開發的新技術完成。且為了謹慎,所有的探測器都做了兩套,除了架設在太空站之外,另一套在地面進行測試。而如今AMS所測得的每一筆數據,也都需要經過四個不同實驗組分析之後,得到相同的結果才能發表。

AMS如此大型的實驗,卻一度差點胎死腹中。當時美國太空總署(NASA)計畫將所有金費投入在火星登陸,其他實驗一概取消。當其他科學家都已噤聲,只有丁院士仍堅持己見,四處遊說,最終才讓美國國會通過法令,讓AMS得以順利升空。

二〇一一年五月,在經過無數次的測試與檢查後,AMS已經裝到了太空梭中準備起飛。在發射的前兩天,丁院士到了火箭上,請數百名工作人員離開:「我就坐在那裡想,過去花了十六年時間做這個儀器,到底所有的儀器、決定,有沒有錯?有什麼地方不安全?雖然已經放進去了,但如果有什麼地方不安全,絕對不能讓它飛。我記得大概坐了四個鐘頭,四個鐘頭後沒有想到什麼錯誤,我就離開了。」

●從實驗產生的物理學
「如果實驗的結果完全與現有理論相符時,那是非常不幸的事,因為實驗和理論符合就學不到新的東西,只有實驗和理論有衝突後才有新的東西。」

「科學最重要的目標是探索未知、探索自然界中存在,但我們無法想像,也不曾發現的現象。」在近代物研究的進展中,新儀器所做出的實際發現往往與原定目標不同。以去年(2015)獲得諾貝爾獎的微中子震盪為例,日本的超級神岡號原本是設計用來量測質子壽命,卻意外地發現微中子帶有質量,推翻了舊有的理論。作為一個實驗物理學家,丁肇中院士不斷強調科學實證的重要性:「只有能實驗能推翻理論,理論不能推翻實驗。」他在諾貝爾獎頒獎典禮的演講上也特別強調了這一點:「自然科學理論不能離開實驗的基礎,特別,物理學是從實驗產生的。」而丁院士各項卓越的研究成果也啟發、鼓舞了當時許多有志於從事實驗物理的華人科學家。

丁院士對實證的重視在AMS的主要研究目的之一——尋找暗物質中可見一斑:在2013年與2014年發表的研究結果中,AMS已經測得了與目前宇宙模型理論非常相近的數據,許多國際媒體紛紛報導已經找到暗物質,但談起這樣的成果,丁院士語氣中並無一絲驕傲,他二度說到:「(暗物質的存在)這是不對的」,因為最後一階段的數據還沒做出來。而在演講後的問答時間,面對許多與實驗無關的問題,丁院士也以簡潔的「我不知道」回答,所謂「知之為知之,不知為不知,是知也。」再次讓聽眾見識了一個實驗物理學家謹慎且實事求是的精神。

 

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