今天我想向大家介紹的是我所經(jīng)歷的現(xiàn)代物理和我的體會(huì)。

實(shí)驗(yàn)是自然科學(xué)的基礎(chǔ)，理論如果沒有實(shí)驗(yàn)的證明，就沒有意義。當(dāng)實(shí)驗(yàn)推翻了理論以后，才可能得到新的理論。而理論是不可能推翻實(shí)驗(yàn)的。

過去四百年，我們對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本了解，大都來自于實(shí)驗(yàn)物理。公元1612年，世界上所建造的最早的加速器，就是比薩斜塔。伽利略在上面讓不同重量的東西同時(shí)落地。那個(gè)加速器能量非常低[0.0001eV]，可是現(xiàn)在還存在，為人類做出了最重要的貢獻(xiàn)?，F(xiàn)在世界上最大的加速器，是周長27公里的歐洲核子中心的加速器，能量非常高[1.4×10∧13eV]。這個(gè)加速器的一個(gè)比較重要的“發(fā)明”，就是大家現(xiàn)在所用的互聯(lián)網(wǎng)。經(jīng)過四百多年的努力，現(xiàn)在對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本了解是：原子的外層是電子，里面是原子核。原子核里面是粒子，粒子里面是夸克，把夸克“綁”在一起的是膠子。這是我們描繪的宇宙物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最基本圖像。

我1956年進(jìn)入密歇根大學(xué)，1962年拿到博士學(xué)位。拿到博士學(xué)位以后，我很快就決定自己做實(shí)驗(yàn)。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)就是證明電子是沒有體積的，它的半徑小于10∧-14厘米。我1965年的實(shí)驗(yàn)測量了電子半徑：在1948年，根據(jù)量子電動(dòng)力學(xué)(QED)，由Richard Feynman，Julian Schwinger和朝永振一郎提出了一個(gè)理論：電子是沒有體積的。這個(gè)理論被當(dāng)時(shí)所有的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，因此他們獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。但是到了1964年，哈佛大學(xué)和康奈爾大學(xué)很多很有名的教授，或多年專門從事這種實(shí)驗(yàn)的專家們，用了多年的時(shí)間做了兩個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)，得到了相反的結(jié)論，說量子電動(dòng)力學(xué)是錯(cuò)誤的，電子是有體積的，它的半徑不是小于而是等于10∧-13~14厘米。因?yàn)樗麄冏隽藘蓚€(gè)不同的實(shí)驗(yàn)，得到同樣的結(jié)論，所以受到了物理界的認(rèn)可和重視。

哈佛—康奈爾實(shí)驗(yàn)與費(fèi)曼、施溫格、朝永振一郎理論的對(duì)比

因?yàn)檫@是關(guān)于物理基本觀念的實(shí)驗(yàn)，所以我決定用不同的方法來測量。那個(gè)時(shí)候我剛剛拿到博士學(xué)位，沒有任何經(jīng)驗(yàn)，所以沒有人相信我能夠做出這樣的實(shí)驗(yàn)，更沒有人支持。在1965年，我決定放棄在美國大學(xué)的前途，到德國新建的加速器（DESY）用不同的方法重復(fù)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)。用的加速器周長是320米，當(dāng)電極轉(zhuǎn)過磁鐵的時(shí)候，就會(huì)發(fā)射75億電子伏的光，光打在電子上（使其加速）。這兩個(gè)人是我當(dāng)年的學(xué)生，一個(gè)學(xué)生現(xiàn)在是普林斯頓大學(xué)的副校長，另一個(gè)并不是個(gè)特別好的學(xué)生，現(xiàn)在是一個(gè)有成就的工業(yè)家。

實(shí)驗(yàn)示意圖

八個(gè)月以后，我的實(shí)驗(yàn)證明，量子電動(dòng)力學(xué)是正確的，電子是沒有體積的。它的半徑它的半徑小于10∧-14厘米，小于不是等于?？纯催@個(gè)結(jié)果和理論的比較，這樣的結(jié)果和理論完全符合，這表示電子是沒有體積。

量子電動(dòng)力學(xué)是正確的

所以我做實(shí)驗(yàn)的第一個(gè)結(jié)論是：不要盲從專家的結(jié)論。我之前什么實(shí)驗(yàn)也沒做過，這是我的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)。另外兩個(gè)隊(duì)伍都是有名的科學(xué)家，結(jié)果都是錯(cuò)的。

第二個(gè)實(shí)驗(yàn)就是發(fā)現(xiàn)新粒子的實(shí)驗(yàn)，是于1970年到1974年在美國的長島（布魯克海文）國家實(shí)驗(yàn)室完成的。1970年，物理學(xué)家都認(rèn)為，粒子是由三種夸克所組成的。質(zhì)子：紫色的u，紅色的u，和藍(lán)色的d；K+介子：紫色的u，粉色的s bar。我的問題是，為什么只有三種夸克？為了尋找新的夸克，我決定建造一個(gè)高靈敏度的探測器。

美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室

七十年代初，我設(shè)計(jì)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)要求的精確度是極高的，相當(dāng)于在北京或者濟(jì)南下雨的時(shí)候,每秒鐘有100億個(gè)雨滴,其中有1個(gè)雨滴是不同的顏色，是紅色或者紫色的,我們要從這100億個(gè)雨滴中,在一秒內(nèi)把它找出來。因而這個(gè)的精確度就是一百億分之一。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)不受世界上所有物理學(xué)家的歡迎。理論物理學(xué)家都相信只有三種夸克。原因很簡單，因?yàn)槿N夸克已經(jīng)可以解釋所有當(dāng)時(shí)已知的物理現(xiàn)象；而實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家認(rèn)為，沒有人能做出這樣困難的實(shí)驗(yàn)。所以這個(gè)實(shí)驗(yàn)幾乎被世界上所有的實(shí)驗(yàn)室所拒絕。1970年，美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室接受了我的實(shí)驗(yàn)。

為了能從100億個(gè)已知粒子中找到一個(gè)新粒子,這個(gè)實(shí)驗(yàn)必須每秒鐘輸入100億個(gè)高能量的質(zhì)子到探測器上。這么多的質(zhì)子輸入探測器所產(chǎn)生的放射線會(huì)徹底破壞探測器,對(duì)工作人員也是非常危險(xiǎn)的。因此,必須發(fā)展全新的、非常精確的，在非常強(qiáng)的放射線下,能正常工作的全部儀器，也必須設(shè)計(jì)安全的屏蔽系統(tǒng)。按照屏蔽設(shè)施圖：為了放射線屏蔽，先放了10000噸的水泥，然后放5噸的鈾，100噸的鉛，還有5噸的肥皂。為什么用肥皂？因?yàn)榉试砝锩婧疃啵梢宰柚孤缘闹凶?。整個(gè)加速器把所有的粒子同時(shí)發(fā)射，也就是說每秒鐘發(fā)射一百億個(gè)粒子，能量是300億電子伏。

新發(fā)展的粒子探測器，以前是沒人做過的。這個(gè)探測器多年展于華盛頓的國家科技館。以前也沒人想到儀器能在這么強(qiáng)的放射性下工作。到了1974年，就是兩年以后，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了新的粒子，它有一個(gè)奇異的現(xiàn)象，就是壽命比一致的粒子長一萬倍。在這種新粒子發(fā)現(xiàn)以后，很快同樣壽命的其他新粒子也被發(fā)現(xiàn)了。它的重要性很容易了解。在山東，人都活到一百歲左右，但忽然有一個(gè)村子，人不是一百歲，是一百萬歲，這些人就和普通人不一樣。這就表示宇宙中有新的物質(zhì)存在，它一定是新的夸克粒子，我們把它命名為J粒子。

美國華盛頓國家科技館展出的J粒子探測器

沒有人會(huì)想到有這種現(xiàn)象，所以當(dāng)時(shí)物理界的人說，這是物理界的“十一月革命”，那個(gè)時(shí)候我還不知道“十月革命”是什么。J粒子的發(fā)現(xiàn)改變了人們對(duì)于基本物質(zhì)的認(rèn)識(shí)。

我做實(shí)驗(yàn)的第二點(diǎn)體會(huì)是：做基礎(chǔ)研究，要對(duì)自己有信心，做你認(rèn)為正確的事情，不要因?yàn)榇蠖鄶?shù)人的反對(duì)而改變。我做實(shí)驗(yàn)已經(jīng)多于五十年了，每一個(gè)實(shí)驗(yàn)都受到大量的人反對(duì)，可是我“容忍”別人錯(cuò)誤的判斷。

第三個(gè)實(shí)驗(yàn)是1979年發(fā)現(xiàn)膠子。剛才已經(jīng)和大家介紹過了，原子外面是電子，元素按照電子排布就變成周期表。原子里面有原子核，原子核里面有粒子，粒子里面有夸克，把夸克“綁”在一起的是膠子。發(fā)現(xiàn)膠子的意義是很大的。宇宙中有三種力：一種是引力。引力波從1942年開始探測，現(xiàn)在才發(fā)現(xiàn)，去年拿到了諾貝爾獎(jiǎng)；電弱力是由光、Z0、W±子傳輸?shù)模粡?qiáng)力，是在夸克中間的力，是由膠子傳輸?shù)摹?