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)在我用四個故事向大家介紹一下，這些故事是我在過去的三十年里所親身經(jīng)歷的。
第一個故事是測量電子的半徑。現(xiàn)代電磁學(xué)的理論認為電子的半徑為零。在1964年的時候，美國的麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)制造了一個當(dāng)時最大的加速器，這個加速器周長為1000英尺。當(dāng)電子在加速器中旋轉(zhuǎn)時就產(chǎn)生光子，光子具有60億的光子能量，因為光子能量很高，所以可打入電子。當(dāng)時來自哈佛大學(xué)和康乃爾大學(xué)的世界上很有名的專家，在這個加速器里做一個很重要的實驗，實驗結(jié)果同時證明量子電動力學(xué)是錯誤的，電子是有半徑的。這是一個非常重要的實驗。1966年，我在德國用不同的方法重新做了這個實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電子的半徑確實小到不可測量，電子是沒有半徑的，這是實驗的結(jié)果和理論的預(yù)測等于1，等于1即是說電子的半徑等于零，也就是說以前許多專家所做的實驗結(jié)果是錯誤的。所以我第一個體會是不要盲從專家的結(jié)論。
第二個故事是關(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解釋。我就問為什么宇宙中只有三種夸克？為了尋找新粒子，我決定建造一個高靈敏度的探測器。當(dāng)時我決定將新夸克和舊夸克的靈敏度達到一百億分之一。何為一百億分之一呢？上海下雨的時候，大概每秒鐘有一百億個雨滴，其中有一個是藍的，要把它找到。但這個實驗不受物理界的歡迎。第一，當(dāng)時的所有物理現(xiàn)象都可以用三種夸克來解釋，所以人們不需要第四種夸克；第二，沒有人相信這種困難的實驗可以做成。因此這個實驗幾乎被天下所有的加速器拒絕了。后來，終于在美國的布爾凱文國家實驗室用ajs做了這個實驗。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。這是正電子負電子質(zhì)量到達3.1的時候，突然就產(chǎn)生一個很高的峰，根據(jù)以前所有的理論，這個峰是不應(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粒子有一個加速，這個加速和正負電子加速的性質(zhì)是一樣的。所以當(dāng)我們完成了布爾凱文（地名）國家實驗室的實驗以后，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)，這種長的壽命可能由新的夸克組成。所以，以前的人認為只有三種夸克的看法是錯誤的，當(dāng)然，有了這第四種夸克，你就可以問有沒有第五種、第六種——至今為止，已發(fā)現(xiàn)了六種。因此我的第二個體會是永遠要對自己有信心，做你自己以為正確的事，別人反對是別人的事。
第三個故事是關(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說是由膠子傳送。那時我們正在德國用正電子負電子對撞接力做一個量子電動力學(xué)的實驗，在做這個實驗的時候，突然想到假設(shè)用正電子負電子對撞這種理論是對的話，則可以產(chǎn)生夸克、反夸克和膠子，這樣的話就會出現(xiàn)三個噴柱的現(xiàn)象。果然當(dāng)正負電子對撞的時候，當(dāng)膠子能量很小的時候，只有兩個峰；當(dāng)膠子的能量增大的時候，就會出現(xiàn)三個噴柱現(xiàn)象。三個噴柱現(xiàn)象的存在就表示膠子是存在的。當(dāng)年，美國物理學(xué)會對這個事例作了詳細介紹。雖然最初這套實驗儀器并非為這個實驗而設(shè)計的，但卻獲得了意外的結(jié)果。所以第三個體會就是對意料之外的事情要有充分的準(zhǔn)備。