丁肇中：我所经历的5个物理实验

中秋佳节 好文共赏

本文来源于《探索与超越: 科学精神与科学家精神》（科技导报社编. 北京: 科学出版社, 2026. 9）一书、根据丁肇中教授2006年9月16日在2006中国科学技术协会年会上所做的大会报告整理而成。原发表于《科技导报》2006年第11期，收入本书时内容有所调整。作者丁肇中，实验物理学家，诺贝尔物理学奖获得者，主要从事高能实验粒子物理学研究。

实验是自然科学的基础，理论如果没有实验的证明，是没有意义的。当实验推翻了理论以后，才可能创建新的理论，而理论不可能推翻实验。

我想通过介绍我所做的 5 个物理实验，来谈谈自己从事科学研究的体会。

PART 01

第一个实验——

测量电子的半径

根据量子电动力学——1948 年费曼（Feynman）、施温格（Schwinger）和朝永振一郎（Sin-Itiro Tomonaga）提出的理论，电子是没有体积的。这个理论被当时所有的实验所证明，他们因此而获得了诺贝尔奖。但是，1964年，美国哈佛大学和康奈尔大学的著名教授与多年专门从事这种实验的专家，用几年的时间，做了两个不同的实验，得出了意外的结果——量子电动力学是错误的，电子是有体积的。他们的结果得到物理学界的认可和重视。

这是一项关于物理基本观念的实验，因此我决定用不同的方法来测量电子的半径。那个时候，我刚拿到博士学位，没有任何经验，所以没有人相信我能做出这样的实验，也没有人支持我。

1965 年，我决定放弃在美国大学的前途，到德国利用新建的加速器用不同的方法重做实验。8 个月后，我的实验证明，量子电动力学是正确的，电子是没有体积的，其半径小于 10−14cm。图 1 是我当时使用的实验仪器。

图 1 测量电子半径的实验仪器

因此，我的第一点体会是：

不要盲从专家的结论。在我没有做这个实验以前，都是世界级的专家在做这个实验。

PART 02

第二个实验——

新粒子家族的发现

1974 年以前，物理学界认为，所有的粒子都是由 3 种夸克组成的。我的问题是：为什么宇宙中只有 3 种夸克？为了寻找新的夸克，我决定建立一个高灵敏度探测器。20 世纪 70 年代初，我设计了这个实验。实验要求的精确度是极高的，相当于在北京下雨时，每秒钟有 100 亿个雨滴，如果有一个雨滴是红色的，我们要从这 100 亿个雨滴中把那个红色雨滴找出来。当时，这个实验不受物理学界欢迎，因为大家都相信只有 3 种夸克，也没有人相信如此困难的实验能够做成功。这个实验几乎被世界上每一个实验室所拒绝。

图2 布鲁克海文国家实验室中的J 粒子探测器

直到 1972 年，美国的布鲁克海文国家实验室才接受了我们的实验。为了能从 100 亿个已知粒子中找到一个新的粒子，这个实验必须具备以下条件：①必须每秒钟将 100 亿个高能量的质子输入探测器，但如此大量的质子所产生的放射线会彻底破坏探测器，对工作人员也是非常危险的；②必须研制全新的、非常精确的、在非常高的放射线下能正常工作的全部仪器；③必须设计安全的屏蔽系统。图 2 为实验设备（J 粒子探测器），当时实验输入每秒 100 亿个能量为 30 GeV 的质子，并用 10 000 t水泥、5 t U238、100 t 铅和 5 t 肥皂作为放射屏蔽。它的分辨率高达 100 μm，分辨速度达20 MHz。J 粒子探测器现展于美国国家科技馆（图 3）。

图 3 展于美国国家科技馆中的J 粒子探测器

两年以后，我们果然发现了一种新的粒子（J 粒子），它具有奇异的特性——寿命比已知的粒子长 1 万倍。很快，人们又发现了同样寿命的类似粒子。它的重要性类似于我们发现一个偏僻的村子里的所有人都是百万岁左右，这表明这个村子里的人是和普通人完全不一样的。这种新粒子的发现，证明宇宙中有新的物质存在，它们是由新的夸克组成的，我们把它命名为 J 粒子。J 粒子的发现，改变了物理学界长期认为世界上只有 3 种夸克的观念，也改变了人类对于物质基本结构的认识。继 J 粒子被发现之后，人们又找到了新的粒子，现在我们已经知道，世界上至少存在 6 种不同的夸克。

由于此项工作，我获得了 1976 年的诺贝尔物理学奖。在诺贝尔奖历史上，从来没有人用中文做过演讲，我决定在授奖仪式上用中文进行演讲。我说：“得到诺贝尔奖，是一个科学家最大的荣誉。我是在旧中国长大的，因此想借这个机会向发展中国家的青年们强调实验工作的重要性。中国有一句古话：‘劳心者治人，劳力者治于人。’这种落后的思想对发展中国家的青年们有很大的害处。由于这种思想，很多发展中国家的学生们都偏向于理论的研究，而避免实验工作。事实上，自然科学理论不能离开实验的基础，特别，物理学是从实验产生的。我希望我这次得奖，能够唤起发展中国家的学生们的兴趣，而注意实验工作的重要性。”

获诺贝尔奖以后，叶剑英元帅写了一首诗给我：“攻城不怕坚，攻书莫畏难。科学有险阻，苦战能过关。”

我的第二点体会是：

要对自己有信心，做自己认为正确的事，不要惧怕困难，不要因为大多数人的反对而改变自己的正确想法；同时，决策机构要给优秀的年轻人机会。

PART 03

第三个实验——

胶子的发现

什么是胶子？原子外面是电子，里面是原子核，原子核里面是核子，核子里面是夸克。宇宙中有 4 种力，即引力、电磁力、弱力和强力。引力，其来源到现在还没有人知道是怎么回事；电磁力，就是电子和原子核之间的力，由光子传输；弱力，由 Z0、W±子传输；强力，由胶子传输（图 4）。

图 4 发现胶子的意义

1977 年 8 月，邓小平建议每年派 10 位科学家参加我的工作。从那个时候起，中国科学家开始参加我的科研团队，并做出了世界上公认的贡献。邓小平曾对我说，对科技工作，要想得远一些，看得宽一些；一是要派人出去学习，二是要请人来讲学；不但科研机构这样，企业也要这样。我曾经多次见到邓小平先生，每次见到他，我都向他介绍我的工作。他对物理很感兴趣，问我很多问题，同时也向我讲述战争年代的经历。他是我接触过的国家领导人和科学家中最特殊的。

20 世纪 70 年代，我在德国 PETRA（Positron Electron Tandem Ring Accelerator，正负电子串联环形加速器）的 30 GeV 电子对撞机（图 5）上进行实验，原来的目标是继续测量电子半径。

图 5 PETRA 的 30 GeV 电子对撞 机

然而，在做实验的时候，我突然注意到，在正电子和电子对撞的时候，可能产生夸克、反夸克和胶子 3 种粒子喷注（图 6）。

图 6 胶子的发现

1979 年 9 月，美国《纽约时报》头版报道了我们发现胶子的消息。中国的《参考消息》于 1979 年 9 月 11 日转载了《纽约时报》的这条消息，称 27 位中国科学家参加了这次主要的实验，在有关核粒子的国际合作研究项目史上这是第一次，也是中国的一大贡献。1979 年 9 月 5 日，《人民日报》刊载了题为《丁肇中教授领导的实验小组发现胶子》的报道，称这种新粒子的发现引起全世界科学界的极大兴趣。中国科学院高能物理研究所唐孝威等 20 多位科学工作者参加了这项实验研究。

我的第三点体会是：

做科学研究对意料之外的现象要有充分的准备。

PART 04

四个实验——

在欧洲核子研究中心的L3实验

这个实验是在欧洲核子研究中心周长为27 km 的加速器（图 7）上进行的，100 GeV 正电子与100 GeV 电子对撞，温度为太阳表面的 4000 亿倍，也是宇宙诞生最初的1000 亿亿分之一秒时的温度。

图 7 在欧洲核子研究中心的 L3 实验场

L3 实验是首次由美国、苏联、中国、欧洲国家等 19 个国家的 600 位科学家共同参与的大型国际合作项目。中国政府非常支持 L3 实验，包括提供了一台非常先进的计算机和在中国科学院上海硅酸盐研究所生产的锗酸铋（BGO）晶体。我们开始做这种 BGO 晶体的时候，全世界的产量才只有 4 kg，很不幸的是我们需要 12 t。怎么办呢？我还记得中国科学院上海硅酸盐研究所的严东生院士专门告诉我们他们可以做，所以尽管当时德国人、法国人都比较反对，最终我还是决定在上海做 BGO 晶体。结果做得非常成功。现在他们所的晶体产品已被广泛用于工业及医学领域。

围绕L3 实验共发表了 271 篇文章，300 人由此获得博士学位。实验结果可以用 3 句话来表述：①宇宙中只有 3 种不同的电子；②电子是没有体积的，其半径小于 10−17cm；③夸克也是没有体积的，其半径小于 10−17cm。很多优秀的中国科学家参与了这个实验并回国工作。

我的第四点体会是：

主持国际科学合作，要选科学上最重要的题目，只有这样，才能引起参与国科学家的最大兴趣，才能得到参与国政府长期的优先支持。

PART 05

第五个实验——

国际空间站上的 AMS 实验

国际空间站长 109 m，宽 80 m。阿尔法磁谱仪（Alpha Magnetic Spectrometer，AMS-02）实验是国际空间站上唯一的大型科学实验，也是人类第一次把磁谱仪送入太空的实验（图 8）。AMS 实验的目标是寻找由反物质组成的宇宙，探讨暗物质和宇宙线的来源。

图 8 国际空间站上的 AMS

在大爆炸理论中，宇宙起源时的温度非常高，大爆炸之前没有物质，因此大爆炸以后物质与反物质的数量应该一样多。现在宇宙已经存在约150 亿年（根据最新科学发现，宇宙的年龄大约为138 亿年。），而我们观测到的宇宙主要由物质组成，大爆炸后产生的反物质在什么地方？

什么叫反物质呢？1928 年，英国理论物理学家狄拉克（Dirac）注意到，在相对论和量子力学的方程式中，将质量“m”替换为“−m”，方程式不会改变。他追问“−m”有什么意义，由此提出反物质理论。发现反电子后，他于 1933 年获诺贝尔物理学奖。1965 年，《纽约时报》头版的一则消息报道“物理学家造出复杂的反物质”，介绍了我的实验：发现由反物质组成的反原子核。1965 年 5 月，《参考消息》以《中国旅美科学家发现“双逆粒子”》为题，转载了中国台湾《“中央日报”》的相关报道，并介绍了我及我的父亲。

人类研究天文现象的最早文字记录是甲骨文记载的距今约 3300 多年发生的超新星大爆炸，而更详细的有关超新星爆炸的记录是在宋朝 1054 年关于金牛座星的记载。在过去 40 年里，天文学和宇宙论的突破性发展，仍源于对光和电波的观测，如用哈勃太空望远镜、地面望远镜等，这一领域由此也产生了近 10 位诺贝尔奖得主。可是，宇宙线中除了光以外，还有带电的粒子，带电的粒子有质量，所以它就被大气层吸收了，无法在地球表面观测到。粒子因为带电，要分辨电荷的符号，就必须用磁体来探测；而至今没有一个精密的磁谱仪能在太空中观测到带电粒子，主要是因为无法将超导磁体送入太空。AMS 是第一个被送入太空的磁谱仪。

这个实验将在太空站运行 3 年，可以探测到很多正物质的原子核。但是，能不能找到反氦、反碳等反物质呢？3 年中如果没有任何这方面的发现，就表明在可见的宇宙范围内，没有反星系存在，因而宇宙的演化不遵守物质与反物质的对称性。

AMS 实验是美国、中国、俄罗斯、芬兰、法国、德国、意大利、瑞士等国首次在空间领域的合作项目，共有 56 所大学和研究所以及 600 位科学家进行合作。中国有很多大学和研究机构参与 AMS 实验工作，包括东南大学、上海交通大学、中山大学、山东大学、中国科学院电工研究所、中国科学院高能物理研究所、中国运载火箭技术研究院（航天一院）、中国空间技术研究院（航天五院）等，其中把磁体放到太空中所遇到的困难就是被中国科学院电工研究所和航天一院克服的。实验飞行进行两次：第一次（AMS-01）用来掌握磁体在太空中运作的基本技术，第二次（AMS-02）用来寻找反物质。

1998 年，我们把 AMS-01 实验装置组装好后，由航天飞机带入太空飞行 10 天，发现了外太空中许多从未了解的、想象不到的现象。例如，在靠近赤道的地区，正电子的数量为电子的 4 倍。

《科技日报》1998 年评出的年度国际十大科技新闻中有一条是，阿尔法磁谱仪首次升空运行正常。该条新闻报道：6 月 2 日，装有中国制造的巨大永磁体的阿尔法磁谱仪首次搭乘美国“发现”号航天飞机升空；此磁谱仪将安装于未来的国际空间站，用以探测宇宙中的反物质粒子；在此次实验中磁谱仪运行正常。

当时有很多美国科学家都认为这项实验是不会成功的。1998 年实验成功以后，我们把全部的时间用在制造 AMS-02 上。AMS-02 拥有 30 万个数据读出通道、650 个微处理机，采用−271℃的超导磁体。所有的仪器制造都没有任何以往的经验可以借鉴，也没有任何以前的资料和数据可以参考。现在，这些仪器已经开始运往日内瓦组装。

穿越辐射探测器用于测量电子，飞行时间探测器用于测量速度，超导磁体和硅微条探测器用于测量电荷的符号、大小以及动量，量能器用于测量光子和电子，切连科夫计数器用于测量速度和电荷。硅微条探测器飞行件已经建造完成，共 8 层，总面积6.6 m²，有 20 万个数据通道，是最精密的大面积硅探测器之一。量能器由法国、意大利的科研人员，以及中国科学院高能物理研究所的陈和生、吕雨生、庄红林等合作完成。AMS 超导磁体现在正在美国的约翰逊航天中心组装。

中国政府对这个实验也非常感兴趣，我曾经向胡锦涛主席报告过中国参与 AMS 实验的意义。对于中国的大学而言，第一，由于 AMS 实验工作由世界上包括美国的麻省理工学院、耶鲁大学，瑞士的苏黎世联邦理工学院、日内瓦大学，意大利的罗马大学等知名大学共同完成，中国的大学可以和这些大学进行长期的合作和竞争；第二，大学具有学科综合优势和充分的学术自由，在研究中能发挥创造性的作用，在过去一百年里，获得诺贝尔物理学奖的科学家大多来自大学，因此大学的参与特别有意义。

对于中国航天事业而言，第一，AMS 实验是由美国国家航空航天局、俄罗斯联邦航天局、欧洲空间局、意大利航天局、德国宇航局参与和支持的，中国的航天专家可以借此与这些机构进行长期的、高水平的技术交流和竞争；第二，可以获得 AMS 实验所发展的先进航天技术，如用于空间的快电子系统、空间超导磁体技术等。

表 1 给出了近代物理学研究的一些发现。通过这个表可以发现，科学家的实际发现和原定研究目标一点儿关系都没有。专家们对于目标设定的意见是根据已知的知识，而实际的发现就是要打破已知的知识，这样科学才会发展和前进。

表 1 近代物理学的发现

我的第五点体会是：

自然科学的研究工作是具有竞争性的，只有第一，没有第二，没有人知道谁是第二个发现相对论的。

PART 06

基础研究

可改变整个世界和人类的生活

如果你要求物理学家，哪怕是最伟大的物理学家，对一个新发现的实际应用做出预言，你会听到如下回答。

1930 年，物理学家欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）说：“通过打碎原子来产生能量是不合算的。任何希望将原子嬗变转化成能源的想法都是空想。”

1926 年，物理学家李・德・福雷斯特（Lee De Forest）说：“电视从理论和技术而言是可行的，从商业和经济的角度来看，我认为是不可能的，它只不过是浪费时间的梦想。”

1880 年，开尔文（Kelvin）爵士说：“X 射线是个骗局。”

人们注意到，在科学金字塔中，随着新的应用不断扩展（金字塔高度增加），基础研究也在不断拓宽其底部（金字塔底部拓宽）。随着科学的不断发展，基础研究越来越延伸到科学金字塔的边缘区域，因此，有时候基础研究因为远离日常生活而会受到人们的责难和质疑。只有当过了一段时间，科学金字塔的应用部分长高后，公众对原本奇怪的科学新现象逐渐熟悉了，基础研究看上去才比较接近实际，从而被人们所理解。

我认为，没有任何理由可以断定今后科学金字塔不会继续拓宽和长高。

从发现一个科学新现象到这一科学成果实现市场化，通常需要 20—40年的时间，对政治家和实业家来说，这样一段时间常常是太长了。但是，科学研究工作不会是一帆风顺的，当深入未知领域时，很难做出预言。在科学研究领域，错误经常是成功的一个组成部分。因此，基础研究需要充分的自由空间和长期稳定的支持。

许多人认为，如果一个国家想要在技术和经济方面具有竞争力，必须集中于能立即产生市场效益的实用性技术的发展，并使经济持续发展。我们常常听到这样的争议：是支持“无用的”基础科学，还是将资源集中于技术的转化和应用研究？从历史的观点来看，后一种观点是目光短浅的。

如果一个社会将自己局限于技术转化，显然，经过一段时间，基础研究不能发现新的知识和新的现象后，也就没有什么可以转化的了。技术的发展生根于基础研究之中。我们可以看到，如果没有对基础研究和教育方面的投资，发展经济的实用主义途径是不可能长久持续的。

这正如 1977 年 8 月邓小平同志对我说的：

对科技工作，要想得远一些，看得宽一些。

月满中秋共团圆

本文摘编自《探索与超越: 科学精神与科学家精神》（科技导报社编. 北京: 科学出版社, 2026. 9）一书，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-086838-1

责任编辑：张 莉 陈晶晶

科学成就离不开精神支撑。《科技导报》自1980 年创刊以来，积极邀约国内外著名科学家发表科学精神与科学家精神相关文章。本书从中精选21 篇富有时代特征、鲜明观点和生动叙事的专稿、特稿及学术随笔，分为“科学精神”与“科学家精神”两部分。“科学精神”侧重理论探讨，涵盖科学精神的内涵、文化渊源、与社会发展的关系等；“科学家精神”聚焦人物与叙事，通过具体科学家案例展现精神特质。集中展示科学精神如何在中华大地落地生根，又如何内化为一代代科学家的人格特质与行动自觉；从“赛先生”破蒙而出，到“两弹一星”惊天动地，再到新时代“高水平自立自强”的铿锵誓言，其间每一次观念突破、每一项技术跨越、每一座丰碑崛起，无不闪耀着科学精神与科学家精神的双重光辉。希望本书载着科学精神与科学家精神的双重火种，走进科技工作者、文化工作者以及高校师生等渴望以理性照亮未来的读者心中。

本书适合科技工作者、科学文化工作者、科普工作者、科学爱好者等广大读者阅读和参考。

（本文编辑：刘四旦）

专业品质 学术价值

原创好读 科学品位

一起阅读科学