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主题 : 考博做学问这样子的心态才正确

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楼主发表于: 2007-07-14

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考博做学问这样子的心态才正确

丁肇中有一次回到台湾，台湾的教育部长求他带10个学生到美国跟他学习，于是整个台湾找人，考试，那些优才生拼命的背公式。
丁肇中见他们，问，“你们站在院子里看天上的星星，有没想过那颗星不在那个位置？”
“没有。”
“下一个”，丁肇中说。
“想过。”
“然后呢？”
“然后就没有了。”
“下一个”，丁肇中。

丁肇中箴言

　　自然科学理论不能离开实验的基础，特别是物理学，它是从实验开始的．

　　任何科学研究，最重要的是要看对于自己所从事的工作有没有兴趣，换句话说，也就是有没有事业心，这不能有丝毫的强迫．许多人从事科学研究的时间并不长，而接连出成果，我认为很重要的原因是他们有事业心．

——丁肇中

在探索中——　一个物理学家的体验

丁肇中

攻城不怕坚，攻书莫畏难。
科学有险阻，苦战能过关。

　　让我这样年纪的人现在来写一份传记是件很困难的事。由于对科学研究事业的兴趣，我还准备把我的工作长期继续下去。在这里，我所能做的仅仅是以我个人的经验为中国的青年学生提供一些借鉴和参考。

　　在进一步叙述之前，我想简要地介绍一下我的家庭环境。1936年，我出生在美国。在我出生3个月的时候，回到了中国。由于当时中国的境况，我一直是一个难民，不断地从一个地方逃到另一个地方。当然，那时候我没有可能得到任何的正规教育。仅仅由于我的父母都是大学教授，我们才得以有足够的饭吃并且总是可以找到适当的住所，但没有正规的教育、体育运动和任何娱乐。然而，幸运的是我可以见到许多来我们家拜访我父母的有才华的学者。从物质条件来说，我的童年也许不像今天北京的儿童们那么幸运。

　　我12岁的时候，在台湾开始接受正规教育。那正是在台湾刚刚从50年的日本统治后归还中国的时候。日本人留下了非常严格和有规律的教育制度。学生在学校里最重要的就是成为一名出类拔革的学生。我在台中生活了1年，然后随家搬到台北。在那里，我通过考试进入了台北最好的高中。这个学校是按照学生的能力和程度编班的。我被编到了最好的班级。尤其是，这个学校在几何、中国历史、英文和化学学科方面有很出色的教师。在我念高中的时候，我最感兴趣的是中国历史，其次是化学和物理。但我很快就意识到，在历史学中去寻求真理比在自然科学中寻求真理要困难得多。也许是由于我12岁以前没有机会受到教育的缘故，我对中国文学、英文和其他诸如此类的课程感到极大的困难。自然我不是这些学科上最优秀的学生，然而我记得在物理和化学的学习中，我花费了大量的时间，对这些课程有了比较深入的理解（也许比其他的学生更深入一些）。

　　1956年，我高中毕业后回到了美国。那时候，我几乎没有多少英文知识。在密西根大学里，第一年我作为工学院的学生学习一年级学生的通常课程。对我来说，那是非常艰难的一年，我不仅不懂当地语言，而且几乎没有钱养活自己。我只有刻苦学习始终保持优等生的地位，用获得的奖学金来继续我的学习。在我上二年级的时候，我请求学校允许我多学一些研究院的数学、物理和物理化学课程。学校通知我说，如要这样，我必须离开工学院转到物理系去。于是，我离开了工学院。在6年之内我取得了物理和数学的学位并且获得了物理学博士学位。一直到现在，这个学校还仅有极个别的学生在这么短的时间内通过这些学位。在学校里我的考试成绩是相当好的。更重要的是，在大学期间我有机会缜密地研讨了整个物理学，并且突破书本描述的局限去理解物理现象。对于确实不理解的事物，提出问题而不含糊回避。尽管有英文表达上的很大障碍，但我仍然比其他同学问的问题多。我认为，作为一个科学家，最重要的是不断探寻在教科书之外的事，对该学科有更深入一层的理解，有能力去独立地思考各种物理现象的本质，面对占压倒优势的反对意见，毫不胆怯地迎接挑战。

　　在获得了物理学博士学位以后，许多学校和科学研究部门向我提供了各种职位，一些职位附有优厚的薪金，另一些职位具有比较重要的地位。而我选择了一个可以使我进一步从事研究的工作，那是在瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心，同其他职位相比，它只有1／3的薪金并且任职期只有一年。但我还是选择了这个职位，因为我渴望能够和欧洲核子研究中心的可可尼教授一起工作。他是一个有非凡能力的物理学家，在选择物理学研究课题方面具有特别敏锐的洞察力。他能够以一种清晰和简明的方式阐述复杂的问题。一年以后，我到哥伦比亚大学物理系担任讲师。当时，哥伦比亚大学是从事物理学研究的最好的学校。这所大学有相当多的知名的和有才华的物理学家以及荣获诺贝尔奖金的学者，他们都对物理有极大的兴趣和独特的见解。在欧洲核子研究中心的一年和哥伦比亚大学的两年，对我后来的工作有极大的影响。

　　在哥伦比亚大学的第二年，哈佛大学做了一个实验，宣称首次观察到了与量子电动力学预言相违背的实验现象，这个实验随后又被康奈尔大学的一个实验组再次验证了。但是我曾经对量子电动力学理论的完美性及其有关的实验技术的复杂性有深刻的印象。在开始研究这个课题几个月以后，我决定做这个实验。哥伦比亚大学里老资格的同事们、特别是莱德曼教授（他现在是美国费米国家实验室的负责人），
都对我完成这个实验的能力表示怀疑。因为在这个领域里我没有经验并且缺乏物质支持。莱德曼教授指出在这个领域工作过的人都拥有庞大的实验组和雄厚的物质来源，这种实验他们已做了很多年，因此，他们已是专家了，而我从没有在这个课题上工作过。不过，他还是友好地允许我能有两年的时间去实现我的想法。当然，当我在8个月内完成了这个实验并且揭示出量子电动力学的正确性的时候，他和其他的人们是非常高兴和惊讶的。这个实验也成为我的同事们（贝克教授、陈敏教授、布格博士等）和我自己所从事一系列实验的基础，这些实验用以系统地研究光子的特性和寻找重光子类粒子。这些研究导致了对核子内部的光的特性和原子内部的电磁特性的更深刻的理解。

　　1972年，我感到很可能存在许多有光的特性而又有比较重的质量的粒子，然而，理论上并没有预言这些粒子的存在。我直观上感到没有任何理由认为重光子一定要比质子的质量轻。为了研究更重的光子，我们在布鲁海文国家实验室的高能加速器上设计了一个实验。在设计过程中，特别是在实验进行的时候，我遇到了更多的困难。困难的主要原因是因为我们设计了一个探测器，它具有极精细的质量分辨能力，因此可以用来寻找长寿命的粒子。这个探测器技术复杂而且造价昂贵。而人们的经验和当时的理论的预言都认为如果有质量大于质子的重光子的存在的话，它们的寿命应该是很短的，并且只需要一个简单的探测器。此外，这类实验我以前的老同事莱德曼教授也做过，而他没有发现任何新奇的东西。在极大多数情况下，我做实验是基于我对事物的理解而不是基于理论上的争论。所以，我决定不顾多数的反对而去实现这个实验。

　　在实验开始以后，我们很快发现一个几乎同样的计划已经交给在欧洲核子研究中心的一个不同的探测器。由于我们极其认真地进行了实验设计，并以更充沛的精力去进行我们的研究，同时得到了布鲁海文实验室的全力支持，所以我们能比欧洲核子研究中心的那个实验组早好几年宣布了J粒子的发现。J粒子和许多共同具有不同寻常的长寿命和重质量的类似的粒子的相继发现，表明人们对基本粒子的内部物理结构还不清楚，改变了人们对物质内部结构的认识。现在，物理学家们意识到一定还有更多的新粒子存在，并且开始了一个世界范围内的对新粒子的寻找。

　　近些年来，我与优秀的年青的中国物理学家们在一起工作。我们共同从事着两项研究：1，除了胶子的工作以外，继续寻找新的粒子；2，也许更重要的是用实验的方法去寻找自然界中四种力的统一（万有引力、电磁力、核力和弱力）。寻求对自然界的各种力的统一理论是科学家们多年来梦寐以求的愿望。这可以追溯到几千年前希腊和中国的哲学家们，直到更现代的科学家们，如爱因斯坦和麦克斯韦。我们试图做的实验是去争取发现弱力和电磁力之间的耦合作用。依照我们现在的理解，这一目标很可能在近几年内达到。

　　总结我作为一个物理学家的经验，我认为以下四点是相当重要的：

　　第一，我总是选择我对之感兴趣的课题，并且力图去彻底地理解它。

　　第二，不论反对意见是多么不可一世，我始终坚持对我的科学观点的探求。

　　第三，我不断地对我自己的实验结果和能力表示疑问，为此，我总是反复检查自己的工作，这样，我们到现在为止实验结果还没有出过错误。

　　第四，我常常意识到我的能力是相当有限的，只有刻苦地工作，我才有可能在某个特定的领域中取得优异的成绩和做出贡献。

　　中国是一个具有悠久历史和有过影响深远的科学发现的国家。我相信随着稳定、对科学事业的不断鼓励和支持，在未来的年代里，中国必将会对科学作出许多十分重大的贡献。

寻找宇宙中的基本粒子

丁肇中

　　寻找宇宙中的基本粒子，这个演讲报告是专为纪念吴健雄教授而举行的。如何寻找宇宙中最基本的粒子呢?现在我用四个故事向大家介绍一下,这些故事是我在过去的三十年里所亲身经历的。

　　第一个故事是测量电子的半径。现代电磁学的理论认为电子的半径为零。在1964年的时候，美国的麻省理工学院和哈佛大学制造了一个当时最大的加速器，这个加速器周长为1000英尺。当电子在加速器中旋转时就产生光子，光子具有60亿的光子能量，因为光子能量很高，所以可打入电子。当时来自哈佛大学和康乃尔大学的世界上很有名的专家，在这个加速器里做一个很重要的实验，实验结果同时证明量子电动力学是错误的，电子是有半径的。这是一个非常重要的实验。1966年，我在德国用不同的方法重新做了这个实验，结果发现电子的半径确实小到不可测量，电子是没有半径的，这是实验的结果和理论的预测等于1，等于1即是说电子的半径等于零，也就是说以前许多专家所做的实验结果是错误的。所以我第一个体会是不要盲从专家的结论。

　　第二个故事是关于新粒子加速的发现。到了七十年代，所有已经知道的基本粒子都可归结为由三种夸克组成，所有的现象都可以用三种夸克来解释。我就问为什么宇宙中只有三种夸克?为了寻找新粒子，我决定建造一个高灵敏度的探测器。当时我决定将新夸克和旧夸克的灵敏度达到一百亿分之一。何为一百亿分之一呢？南京下雨的时候，大概每秒钟有一百亿个雨滴，其中有一个是蓝的，要把它找到。但这个实验不受物理界的欢迎。第一，当时的所有物理现象都可以用三种夸克来解释，所以人们不需要第四种夸克；第二，没有人相信这种困难的实验可以做成。因此这个实验几乎被天下所有的加速器拒绝了。后来，终于在美国的布尔凯文国家实验室用AJS做了这个实验。我们发现了一种很新的粒子，完全想像不到的一种粒子。这是正电子负电子质量到达3.1的时候，突然就产生一个很高的峰，根据以前所有的理论，这个峰是不应该存在的，找到这种J粒子以后，很快和这种J粒子同样一种加速的粒子就存在了。这是J粒子，J粒子有一个加速，这个加速和正负电子加速的性质是一样的。所以当我们完成了布尔凯文[地名]国家实验室的实验以后，我们发现了一种全新的夸克，这种夸克有很特别的性质，第一它们质量比其它所有粒子重三倍；第二，它的寿命比其它所有粒子长1000倍，这意味着什么呢？大家都知道，所有的人在世界上活到100岁左右，但你突然发现一个村子里的人能活到10000岁，这就表示这些人可能有很特别的性质，这种长的寿命可能由新的夸克组成。所以，以前的人认为只有三种夸克的看法是错误的，当然，有了这第四种夸克，你就可以问有没有第五种、第六种——至今为止，已发现了六种。因此我的第二个体会是永远要对自己有信心，做你自己以为正确的事，别人反对是别人的事。

　　第三个故事是关于1979年胶子的发现。大家都知道在原子里有电子和原子核，电子和原子核之间的力由光子传送。在质子里有不同的夸克，夸克之间的力在理论上来说是由胶子传送。那时我们正在德国用正电子负电子对撞接力做一个量子电动力学的实验,在做这个实验的时候,突然想到假设用正电子负电子对撞这种理论是对的话，则可以产生夸克、反夸克和胶子，这样的话就会出现三个喷柱的现象。果然当正负电子对撞的时候，当胶子能量很小的时候，只有两个峰；当胶子的能量增大的时候，就会出现三个喷柱现象。三个喷柱现象的存在就表示胶子是存在的。当年，美国物理学会对这个事例的作了详细介绍。虽然最初这套实验仪器并非为这个实验而设计的，但却获得了意外的结果。所以第三个体会就是对意料之外的事情要有充分的准备。

　　第四个故事就是寻找反物质的宇宙。这在国际空间站上叫做AMS。反物质的存在，是由玻尔·迪莱克在理论上推导出的。他在1933年12月12日获得了诺贝尔奖。他注意到，相对论的公式和量子电动力学的公式，质量都是乘平方的，也就是说等于m×m，也等于－m×－m，迪莱克问－m是什么意思，从这儿就推导反物质的理论，这也表示拿诺贝尔奖是很容易的。因为现在我们从实验上知道，所有的粒子有反粒子。我所要问的是另一个问题，大家都知道，宇宙是大爆炸形成的，大爆炸的理论中，宇宙起源时的温度高，因为大爆炸以前什么都没有，所以有一个电子则应该有一个反电子，有一个夸克也应该有一个反夸克，所以在刚爆炸的时候，物质和反物质应该是一样多。问题是经过150亿年之后由反物质组成的宇宙在什么地方。我们知道宇宙在有He、有Ti的太空中飘行，有没有反物质所组成的宇宙也产生反He和反Ti。所以我们从实验上需要知道的是由反物质组成的宇宙在何处。假设它存在的话，我们应该在太空中找到反He反Ti原子。反He、反Ti原子不能在地面上找到，因为在穿过大气的时候，它们会被湮灭掉。因为原子和反原子有相反的电荷，所以寻找反原子必须用磁铁来测量在磁场上的轨道，正的向一个方向旋，负的向另一个方向旋，这就是我现在所做的实验的目标，即AMS，它是空间站上唯一的物理实验。过去40年内，许多的实验用哈博望远镜、用人造卫星测量光子，但在宇宙中除了光子以外，还有带电的粒子。带电粒子因为有质量，所以在经过大气的时候很快就被消灭掉了，故不能在地面上找到。因为带电，所以需要用磁铁分出正负，这是人类第一次测量这些东西，所以觉得现在的结果很奇怪，可能过了三、五年之后，对这种现象了解以后，就会觉得很自然了，这是我最简单的解释。美国宇航局决定在2003年5月将AMS实验作为在空间站上的第一个科学实验。原结构中用的中国制造的永久磁铁改为超导磁铁，大幅度提高AMS控测力，从太空中长期产生更多的数据，超导磁铁用于太空中是高技术发展的一个体现，不多久前还认为是不可能的。这是我们所制造的超导磁铁，在英国和瑞士制造的，这是磁铁的线圈，带上2500升的液体的He，在空间站上做三年，这是整个探测器，这儿有超导磁铁，这个仪器用于分辩电子和质子，这个仪器测量不同的粒子，这个用于测量电子和光子。假使不出错误，到2003年的晚上，天晴的话，可以看到这个空间站，因为它非常大，可以看到它象星星一样转，到那时你会记住上面有一个AMS的实验。它要解决两个问题，一是宇宙如起源于大爆炸，一半的宇宙是正物质组成，另一半的宇宙是反物质组成，那么反物质所组成的宇宙在什么地方；第二个问题是90％的宇宙是观察不到的，它是由暗物质组成的，暗物质是什么？这些都是理论，到底会发现什么呢？可以从下一个图里看出。现在向大家介绍一下在过去50年内加速器的发展。最早的加速器是袁家骝教授所用的布尔凯文国家实验室的加速器，至今快50年了，原定的目标是π质子相互作用，袁先生作了非常重要的贡献。除了这以外，更重要的发现是两种中微子，时间繁衍的破坏j粒子，费尔美国家实验室在芝加哥，原来是做中微子物理实验，发现的是第五种，第六种夸克。斯坦福直线加速器原来是做电子质子弹性散射和量子电动力学，结果发现的是部分Si－partical和第三种氢子。日内瓦的质子质子对撞机，原目标是找z和W，结果发现是质子质子总切面的增加。所以要做加速器，先找理论物理学家帮你写一个目标。根据过去50年的经验,原来的目标和实际发现完全是两回事情。因为这是最先进的科学，是没有办法预见的。所以最后一个体会，就是要实现一个目标，最重要的要有好奇心。对自己做的事情感兴趣，要勤奋地工作！

(丁肇中先生在“吴健雄、袁家骝科学讲座基金会”开幕式的演讲（摘要）(2000年于中国东南大学）

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