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中图分类号：P159文献标识码：A 文章编号：1003-3386(2003）04-0007-05
我非常高兴到外交学院来介绍我现在在做什么：我是花钱最多、经济效益最少的人。我做的事情就是“寻找宇宙中最基本的结构”。
中国古代对物质基本结构有两种不同的看法，第一种看法认为最基本的结构是粒子，粒子是可以数得出来的，另外一种看法是宇宙中最基本的结构是连续性的。粒子的观念起源就是阳和阴。连续性观念的起源是公元前600年道家创始人老子，他认为最基本的东西是永远摸索不清的。在西方国家，对基本粒子也有不同的看法。两千年以前，西方认为土气水火是最基本的东西。在16世纪的时候，认为最基本的东西除了土气水火以外，还有水银、硫磺和盐，就变成了7种。在100年以前，所有的科学家都认为我们已经知道宇宙中最基本的东西就是化学元素，列为元素周期表。在20世纪60年代，人们认为宇宙中最基本的东西是原子核，也有100多个。到了60年代末期，人们认为宇宙中最基本的东西不是原子核，而是好几百个基本粒子。现在我们认为宇宙中最基本的东西是6种夸克和3个氢子。所以，第一个观念是：物理学上探索真理是随着时间而变的。
现在我向大家介绍一下我所经历的实验物理和我的体会，说5个故事。
第—个故事：测量电子的半径。大家都知道电子是100年前由一个英国人J.J.汤姆逊发现的。电子是我们日常生活里面最重要的，电子的半径有多大？1948年，费曼(Feynman)、施温革(Schwinger)和朝永振一郎(Tomonaga)3个科学家有一个关于电子的理论，这个理论说电子是没有体积的，换句话说，是没有半径的。这个理论被实验所证明，他们因此获得诺贝尔奖。到1964年，哈佛大学和康奈尔大学的专家们所做的实验却证明量子电动力学是错误的，电子的半径是
厘米。这些人已经拿诺贝尔物理奖了。怎样测量东西的半径？就是用光来测量。为了测量电子的半径，美国的麻省理工学院和哈佛大学做了一个周长一千英尺的电子加速器，电子转弯的时候有60亿电子伏的光，这是非常强的光。然后哈佛大学和康奈尔大学的专家们用这个光来测量电子的大小。在60年代物理学上最重要的一个实验就是康奈尔大学和哈佛大学的实验。实验的结果表明，电子是有体积的，其半径是厘米。那时，我刚拿博士学位，我觉得这个实验太重要了，所以我就决定重复这个实验。这是我的第一个实验。到1966年我在德国用不同的方法重做了这个实验，发现电子的半径确实小到不可测量，这是我的结果，实验的结果和理论推测完全符合电子半径为零的理论。所以，我的第一点体会：对于一个做科学的人，不要盲从专家的结论。因为在我做这个实验以前，另外几个实验都是由世界上最有名的专家所做的，结果都是错的。
在60年代末期，人们对宇宙的观念是这样的，原子外面有电子，原子里面有原子核，原子打开有粒子，粒子打开有夸克。
第二个故事：新粒子家族的发现。到了70年代，所有的已经知道的基本粒子已经有好几百个，都可以归结为由3种夸克组成。我就问：为什么宇宙中间只有3种夸克？为了寻找新夸克，我决定建立—个高灵敏度的探测器。在70年代初期，我设计了—个实验，目的是寻求新粒子组成，这个实验要求的精确度是非常高的。比方说，北京或者日内瓦下雨的时候，每秒钟有100亿个雨点，假使有一个是红的，你要把这个（红雨点）找出来。所以说还是比较困难的。这个实验不受物理学家的欢迎，因为学理论的人都说，所有已知的物理现象都可以用3种夸克解决，你这个实验是没有意义的。他们认为世界上没有人能做出这样困难的实验。这个实验几乎被世界上每一个加速器实验室所拒绝。到了1974年，我们在美国纽约布鲁海温(Brookhaven)实验室完成实验后，就发现了新粒子，发现新粒子后就很快发现了另外一个加速，这个加速有几个特别的性能：第一，它比所有已知的粒子都重，可以重三倍左右，这并不奇怪。最奇怪的是这个加速的寿命比其他所有已知的粒子寿命长一万倍，这是什么意思呢？大家都知道所有的人只活到一百岁，假设你忽然找到一个村庄，这里的人能活到一万岁或十万岁的话，那不就很奇怪了吗？这表示有新的物质存在，有新的夸克组成，因此只有3种夸克的观念是错误的。现在我们已经知道至少有6种不同的夸克。我第二个体会是：做基础研究，要对自己有信心，做你认为正确的事，不要因为大多数人的反对而改变。这可能是和外交不同的地方。因为科学的进步是多数服从少数。
第三个故事：胶子的发现。大家还记得在中学念书时学的知识，原子外面是电子，中间是原子核，电子和原子核中间的力量是由光来传输的。在70年代，我们知道，原子核里面有夸克，那夸克里面的力量是怎样传输的呢？理论上说是由胶子来传输的。在70年代末期，我在德国的汉堡。那时候世界上最大的压缩器是300亿电子伏正负电子对撞机。作为加速器，看起来复杂，基本原理非常简单：这个实验做完的时候，忽然觉得有可能测量出有没有胶子的存在。怎样测量法呢？就是说，假使电子和正电子对撞、假使产生夸克和反夸克、假使有胶子的存在的话，出来后就应有3个喷注的现象。这是夸克，这是反夸克，这是胶子，这个点是实验的结果。果然，胶子存在。这就很快、很简单地把一个很重要的物理现象发现了。所以，第三点体会：做科学，要对意料之外的现象有充分的准备。
第四个故事：国际科学合作。我们知道宇宙是由类点粒子组成的，就是说有6个夸克和3种电子。普通的电子有μ，还有个τ，τ和电子一样，不过比电子重四千倍。那你就可以问下面的问题了。第—个问题是：到底有多少电子？为什么只有3种？电子有多大？电子能不能分成更小的东西？到底有多少种夸克？夸克有多大？夸克能不能分成更小的粒子？为了做这个实验，过去20年里我一直在西欧核子中心工作。那里有现在世界上最大的加速器，周长27公里，在地底下50到150公尺，在这几个地方正负电子对撞，加速器里面有一万多个磁铁。基本原理是什么？就是说，你要有一千亿电子伏的电子伏和一千亿电子伏的正电子对撞，时间非常短——十亿分之一秒，当然你可以想象得到会产生非常高的温度——是太阳表面温度的四千亿倍。太阳表面的温度是六千度，通常原子武器爆炸就是太阳表面的温度。大家都听过宇宙大爆炸的说法，假使宇宙是大爆炸来的，在爆炸以前什么都没有，爆炸时温度非常高。所以我们在实验室里制造宇宙诞生最初一千亿分之一秒的情况。外交学院院长吴建民大使参观过我们的实验室，它的外面是一个磁铁，重一万吨，里面有一层、两层、三层、四层探测器。大家还记得在中学念书的时候，第一个小实验就是在小线圈里放电便产生磁场。我们这个线圈和那个原理是一样，唯一不同的就是更大了。这个线圈是四层楼高，重40吨，总共28个，用500万瓦的电。为了测量所有原子里面的东西，我们用了300吨的铀。这个实验室很大。把实验室打开以后，有各种不同的探测器。探测器分成四层，电子走过这四层的时候，留下不同的轨道。μ，就是宇宙线，留下的轨道，光留下的轨道，其余的粒子留下的轨道不同。这样很快就知道谁是谁了。这是一个国际合作，有韩国、中国（包括台湾）、印度、苏联、欧洲国家和美国的大约20多个大学，总共有600个科学家，大约50个研究室。宇宙中只有3种不同的电子，普通的电子μ和τ都已经找到了。第二就是说电子是没有体积的，它的半径小于
厘米。大家想一想，这是非常奇怪的现象：我们天天用电，用电一百多年了，永远找不到电子的半径是多大。夸克也是没有体积的，半径小于厘米。很多的中国科学家参加我的工作。我的第四点体会，关于国际合作，就是说怎样领导一个大的国际活动。我觉得最重要的是要选科学上重要的题目，引起参加国的科学家的大的兴趣。因为你不能强迫人，要能找出所有人都认为非常重要的题目，他才会参加。第二，领导一个大的国际合作，对贡献大的国家要有优先的认可，使之得到国际上的公认，这才能得到参加国政府的长期优先支持。所谓贡献大，并不是说这个国家出钱多，而是这个国家的科学家有重要的贡献。
第五个故事：我现在从事的研究项目，即在国际空间站上研究外太空的反物质，所谓的AMS实验。国际空间站现在正在建造，已经做了一半，里面有3个人经常住在那儿。国际空间站长109米，宽80米，重420吨，到2006年以后，将是夜空中除了月亮和金星以外最亮的星。因为它绕着地球转，所以大家可以看到，等于三个足球场这么大。这个空间站是美国、日本、俄罗斯和西欧所有国家一起做的，造价并不便宜，大约是
美元。这个实验经过大量的国际竞争以后，是空间站上唯一的大型科学实验。这个实验有什么意义？在历史上，天文现象的研究仅限于用光学方法观测天气。人类最早对星球爆炸的记录就是在公元前1300年用甲骨文记录的。星球爆炸的现象，最近也被美国的哈勃望远镜重新照下来。这种现象最详细的记录是在公元1054年在中国的宋朝，我们知道，在宇宙中有光，有正电子，有电子，有核子，有反核子，有原子核，也有反原子核。过去所有的实验：美国的、中国的、俄罗斯的、欧洲的，都是测量光的，有人造卫星，有地面收集站。可是除了光以外，在宇宙中还有带电的粒子，因为它带电，它必须有质量，因为有质量，它就被大气吸收了，所以必须在太空中测量，因为它带电，也需要有磁场来分辨它的电荷。反物质的存在是在1928年英国科学家狄拉克(Paul A.M.Dirac)所推测出来的，1933年他获诺贝尔物理奖。他就注意到相对论的公式和量子论的公式质量都是成平方的，
=(M)(M)=(-M)(-M)，从此就推测到反物质的理论。他拿到了诺贝尔物理学奖。因为很快带正电荷的电子被发现了，就是电子的反物质。电子带负电荷，反物质的电子带正电荷。这就证明反物质确实是存在的。这是30年代，到60年代，美国的《纽约时报》有一个消息：《很复杂的反物质被发现了》。这是我当年的第二个实验。这个实验什么意义呢？假使宇宙真的是大爆炸来的，爆炸以前什么都没有，在爆炸的时候温度非常高，有电子的话就应该有正电子，有夸克就应该有反夸克，有物质就有反物质，才能平衡起来，因为爆炸以前是真空。宇宙已经有150亿年了，经过150亿年以后，由反物质所组成的宇宙到哪里去了？就是这个很简单的问题。我们知道，所有的基本粒子、原子都有反粒子、反原子，这个我们在地面上用加速器可以找到。我们知道在宇宙里面有氦，有碳原子，有没有反物质所组成的反氦和反碳？由于物质和反物质在大气中互相湮灭，所以不可能在地面上探测到，只能将探测器放在太空中。因为原子和反原子有相反的电荷，所以找反原子也必须用磁铁来测量磁场上的轨道。所以，这是我们将用在空间站上的仪器，3米乘3米乘3米，重7吨，有650个微处理机，有30万个数据采集信道，用超导磁铁，就是零下271.35℃的磁铁和5种探测器。测量时间是10亿分之一秒。测量坐标是10个微米。电子走过这种探测器的时候会留下轨道，正电子留下一种轨道，质子留下另一种轨道，反物质留下的轨道又不一样，这就像你照X光一样，很快就能分辨出谁是谁来了。这是一个比较复杂的实验，以前没有做过，也没有书可以看。所以美国的宇航局就准备了一个很大的队伍帮助我们了解空间的材料、空间的热、空间的通讯，整个航天的技术。这个实验是首次美国、中国（包括台湾）、俄罗斯、芬兰、法国、德国、意大利、瑞士、西班牙等15个国家在空间的活动。在过去一百年里，所有的诺贝尔物理奖都来自于大学，除了一两个少数例外之外。原因是大学有综合的优势和充分的学术自由，这就是邀请中国大学参加的原因。因为这是空间站上惟一的实验，这也是美国政府和俄罗斯政府在空间站上的重要合作。对于做这种大的国际实验，常常有人来帮助你。可是这确实是个非常难的事情，因为从来没有人做过，没有任何经验。所以，我们就先在1998年6月用航天飞机把我们的实验带到空间做了10天的测量。第二次实验是在空间站做3年到5年，第一次飞行了10天，因此飞行的飞行舰和第二次的内径是一样的，惟一不同是不用超导磁铁，用永磁铁。大家要是还记得在中学二年级第一次念物理的时候，所谓牛顿三大定律，牛顿的第二定律就是动量等于质量乘速度，动量是带电粒子在磁场上的轨道测量出来的，速度有各种探测器测量出来，知道速度，知道动量，就知道质量。为什么磁场在天上很困难？你可以想象得到假使有一块磁铁，用绳子把它拴起来，它永远向北转或者向南转。这就是中国人发现指南针的原理。可是你要把一块大磁铁放在航天飞机上，航天飞机受到磁铁的作用，就会失去控制。这就是过去多少年航空飞机不能带磁场到天上最主要的原因。这个困难被中科院电工所的人解决了。中科院电工所所设计的磁铁是由钕铁硼做的，不用铁，所以减少重量，因为航天上的重量是以黄金来算的，多加一吨就需要多一吨的黄金。第二，它不漏磁，不影响宇航员在天上的操作。第三就是没有磁矩，它就不会断。这是成功最主要的原因。这个问题40年里没有人能想出来，后来被中科院的电工所解决了。在科学院的电工所制造的这个磁铁总共有6千个一寸乘一寸乘一寸的磁铁，到最后的张力是非常大的，大约4吨左右，所以做的时候还是比较危险的。做完了以后，在北京的航天部一院做振动实验，模拟飞机升空的情况，让它不要飞出来。做完以后请美国宇航局的人来检查这个事情，因为我和美国宇航局达成的协议，所有的物理由我负责，可是安全由他们负责，因为要带6个宇航员到天上去，所以由他们作全面的检查。航天飞机升空后在天上飞行10天到16天，航天飞机离地面400公里，以每小时2700公里的速度绕地球转，上面有5个宇航员。这次飞行有两个任务，最初三天由宇航员把水和食物送到俄罗斯的“和平号”上，剩下的7天让我们收集数据，这次实验，我们发现很多很奇怪的现象：第—个现象，就是在赤道上空离地面400公里的时候，有一个绕着地球的质子环，其中质子能量在60亿电子伏，在这个环中，飞向地球的质子数和飞向外太空的质子数量相同。还有一个很奇怪的现象就是，大家知道所有的宇宙是中性的，所以从外太空来看，正电子和负电子的数目应该—样多，结果我们发现并不是这么回事。不同经纬度的正负电子比例不同，赤道、北极左右，正电子比负电子数目高四倍左右，并不是中性。这些现象都非常奇怪，都是想象不到的，原因是这是人类第一次把门打开，所有的现象都是新奇的。可能过几年我们了解这些现象和原因的时候，就觉得很自然了。这个实验成功以后，我们决定在2006年用第182号航天飞机把我们带到空间站上。现在我们正在完成这个实验，其中比较困难的就是这个磁铁。大家都记得假使电流经过一根普通导线的话就产生磁场，可是普通导线里有原子振荡，所以有金属摩擦，会产生热。在1911年的时候，荷兰就发现把导线冷却到零下270度左右的时候，电子就不动，电子不动的话，原子就不动，原子不动的话，电子就可以大量地走过，这就产生了所谓的超导。这是个非常奇怪的现象。过去一百年里面，有4个诺贝尔物理奖，包括今年的诺贝尔奖，都是关于研究超导的。可是用超导是非常非常困难的，原因是这个导线跟另外一根导线中间的力量是非常大的，有时候到几吨左右，所以这两根导线万一碰上就会产生摩擦，会产生热，一产生热原子就开始动，所有的原子就开始动，马上就失超了。一失超整个磁铁就毁掉了。1990年，美国最大的周长87公里的加速器花了30亿美金以后就停下来的最主要原因。这个磁铁由很多国家一起来做，美国的宇航局、瑞士、西班牙、德国、意大利、中国的上海交通大学、芬兰和俄罗斯莫斯科大学，一起来制造，然后在英国来组装。超导磁铁能用于太空，是高科技发展的新现象，在以前被认为是不可能的。第一个要解决的问题就是没有指南针现象，所以第二次飞行的永久磁铁设计第一次完全一样，第二次惟一不同的是磁场比第一次高6倍，就是一万高斯，就是说比地球磁场高二万倍。总共有14个线圈。这14个线圈，12个已经做完了，我想，再过几个星期，14个线圈就都做完了。做完了不代表顺利完成任务，而是问题的开始。所以一做完以后要详细检查。怎样检查呢？每一个线圈，都要检查能不能冷却到零下270度，会不会失超，会不会动，要非常稳定。为什么不会失超？因为我们花了很多时间来了解它的工艺，就是说这个导线外面有铝，这铝是非常纯的铝，是百万分之二十，所以万一产生热，马上就被导走了，不会把热集中起来。同时，导线和铝中间的距离是一样的，所以不会有摩擦现象。第三，这个导线和另外导线之间没有任何接触，这是很困难的，因为长105公里。世界上最精密的东西不是机器做的，是人做的。到瑞士去看最贵的表，最好的表还是人工做的。所以，有两位英国人不做别的事情，就绕这个导线。当温度非常低，接近绝对零度的时候就有很多奇怪的现象。什么现象呢？我们都知道普通液体的特性是热向冷走，因为热的气体原子振动比较大。到接近绝对零度的时候叫超流体，它的特性是冷向热走，同时，它没有表面张力。超流体是一个非常新奇的现象。超流体没有表面张力，所以它就均匀地冷却下来。在绝对零度的时候，从4.3度冷到1.6度是非常困难的，至少没有人做过。第二，你做振动实验、真空实验、模拟航天飞机升空的情况，因为外面非常薄，体积非常大，你做了振荡以后就不知道有没有金属疲劳，就不能再用。上海交通大学负责把超导磁铁在地面上冷却到零下271度，做了一个地面冷却器，分二部分，一部分从300度冷却到80度，第二部分从80度冷却到1.8度。其余的仪器就不一一说了，不过还有一个值得一说的就是电子仪器。大家知道现在在天上有个很重要的探测器叫哈勃望远镜，美国的NASA认为我们这个仪器等于带电粒子的哈勃望远镜。和哈勃望远镜惟一不同的是我们有很新的电子仪器。有总共30万个信号，由650个微处理机来做，这个微处理机比现在美国通用的空间微处理器快10倍左右，这项实验，要找什么呢？如果宇宙起源于大爆炸，一半的宇宙是正物质组成的，另一半是反物质组成的，反物质组成的宇宙在什么地方？为什么要这么大的仪器在空间3年到5年呢？因为在3年到5年中，你可以测量到20亿个氦。如果20亿个氦里还没有找到一个反氦，就说明你已经走到宇宙的边缘了。
我现在向大家说我的第五个体会，要实现你的目标，最重要的是要有好奇心，对自己正在做的事情感兴趣，同时要勤奋工作。可能有的人要问，你花这么多的力气，花这么多的钱，有什么用处？所以我给大家讲一讲，过去100年里面，最伟大的物理学家对新发现的现象所做的预言：第一位就是恩内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford)，他认为：“通过打破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。”这位是非常有名的物理学家，拿过诺贝尔奖。还有—位很有名的科学家李·德福斯特(Lee DeForest)，美国人，他说：“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，它不过是个浪费时间的梦想。”上一个世纪一个最伟大的英国科学家，开尔文勋爵(Lord Kelvin)说：“X射线是骗局”。所以让物理学家推测将来是不可信任的。不过，总结之后你就了解到：物理学是跟距离有关系的，100年以前，最尖端的物理学是力学、热学、光学，现在用在航空、航天、无线电和电视上。30年代最尖端的物理学是原子模型、量子力学，现在用在半导体、激光、超导体。40年代最尖端的科学是原子核模型，现在用在核聚变和同位素上。从大距离来说，100年以前，是慧星、行星系统，现在用在气象卫星和太空实验室、地质探测。更大的距离是恒星，研究太阳，现在用在导航上。什么意思呢？从发现到应用，有一段时间，这时间可能是30年、40年。
当一个新的科学开始的时候，它永远在尖端，因为在尖端，常常被人们认为是没有用的，只能经过30年、40年或更长的时间之后，等大家熟悉这个现象以后才能转换为应用。转换为应用的时候，往往改变整个人类的生活。
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