对话三位诺奖得主：基础物理研究能给世界带来什么？

学术 2024-11-11 08:25 北京

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2024年是J粒子发现五十周年。1974年，美籍华裔物理学家丁肇中率领团队率先发现了J粒子，证实了粲夸克的存在，并因此获得1976年诺贝尔物理学奖。10月26日晚间，央视栏目《对话》邀请丁肇中、1979年诺贝尔物理学奖得主谢尔登·李·格拉肖（Sheldon Lee Glashow）、2004年诺贝尔物理学奖得主戴维·乔纳森·格罗斯（David Jonathan Gross）以及欧洲核子研究中心（CERN）前主任鲁加诺·迈亚尼（Luciano Maiani），进行了一场深入交流。

节目中，专家们回顾了丁肇中获诺奖背后不为人知的细节，分享了他们对基础物理研究“务虚”和“务实”的看法。丁肇中回忆马斯克向其请教问题，“看不出来马斯克这么能干”；格拉肖评论2024年诺贝尔物理学奖“颁得非常棒”；格罗斯谈物理专业学生转行现象，认为“物理教育是最好的教育”；迈亚尼则表示，说服上级在自己的研究领域投资，“比科研本身更难”。

经授权，《返朴》现将访谈内容整理如下，以飨读者。

在科学发展史上，能被称为革命的新发现屈指可数，而粲夸克的发现正是其中之一。1974年11月12日，《物理评论快报》杂志收到了丁肇中团队关于发现J粒子的文章投稿，后来科学家们确信，这篇文章中描述的J粒子是由一对从未被观测到的新夸克组成，这个新夸克就是粲夸克。这一发现很快与其他实验的结果得到了互相验证。丁肇中和伯顿·里克特凭借这一发现，获得了1976年的诺贝尔物理学奖。粲夸克的发现不但验证了由格拉肖、伊利奥普洛斯和迈亚尼提出的GIM机制，更推动了粒子物理标准模型的发展。这一在11月发生的新科学进展，后来被粒子物理学界称为“十一月革命”。今年是“十一月革命”的五十周年。五十年来，对粲夸克的研究为粒子物理学带来了无数的惊喜。在发现粲夸克十年后，中国的土地上，一项与粲夸克研究密切相关的大科学装置——北京正负电子对撞机（BEPC）破土动工。这不仅是中国的第一个大科学装置，也是中国高能物理实验研究的正式起步。

主持人：五十年后的今天，这几位物理学家来到了我现在所在的中国科学院高能物理研究所，一会儿我们就要去见见他们，来看一看这些以往只能在教科书上看到的名字，究竟长什么样子，和他们来一场真实的对话。

丁肇中获诺奖背后，不为人知的细节

主持人：格拉肖先生和迈亚尼先生曾经做过一个预言，是粲夸克的存在，丁肇中先生发现了J粒子，直接证实了粲夸克的存在。我想问一下二位，你们知道J粒子被发现的那一刻，你们在做什么？

谢尔登·格拉肖：我很震惊。丁博士给我打电话说，我应该去他的办公室时，我从沉睡中被惊醒。他没有解释原因。于是我穿好衣服，上了车，开到麻省理工学院，找到了他的办公室。他向我解释了他所做的事情，并给我看了一张他的实验结果的照片。我完全惊呆了，这是非常特别的事情，很难理解。我想我对他说，请给我一点时间考虑一下这个问题。然后我冲了出去。

鲁加诺·迈亚尼：当时我在意大利，所以这件事不像谢尔登经历的那么戏剧性，但我必须说，这个粒子的出现非常令人惊艳。

主持人：发现了J粒子之后，您打的第一个电话是打给格拉肖先生吗？

丁肇中：我想不是第一个就是第二个，因为我跟这两位，格拉肖和迈亚尼非常熟。这两位到我办公室来过，说你在做什么？我说我在做什么实验。他们就跟我说，他们有个理论，表示在正负电子对里面可能有个新的物质存在。这两位应该说是最先知道的。

格拉肖：这是一个惊人的发现。这是有史以来发现的第一个包含第四种夸克的粒子。1964年，当默里·盖尔曼提出夸克理论时，他提出了三味夸克，它们可以解释当时存在的所有核粒子。但出于（让算式）更美观和优雅的原因，我怀疑一定有第四种夸克。所以我提出了第四种夸克，而丁肇中找到了它，也因此获得了诺贝尔奖。

丁肇中：我唯一的感觉就是五十年好快，就像昨天一样。开始做实验的时候，并不是因为找新的夸克。我开始的时候是测量电子半径，找不到电子的半径，可是发现光在很短的时间里面可以有质量。就有三个粒子，光变成这三个粒子以后，还会再变成光。我就觉得为什么光子会变成这三个粒子，质量都是差不多的？有没有更重质量的新的粒子？我开始做实验，就是要找有没有第四个粒子。非常非常困难，因为我那个实验的仪器的精密度就是说十亿分之一。什么意思？就是等于北京下雨的时候，每秒钟有十亿个雨点，中间有一个是红的，要把它找出来，所以大家都认为这是不可能的。所以这个实验被欧洲的加速器、美国的大加速器都拒绝了，后来在美国的长岛布鲁克海文的国家实验室，终于通过了这个实验。

科学的进展是「多数服从少数」

主持人：是受到了一定程度的质疑，您为什么在这个方向上还要坚持做下去？

丁肇中：科学的进展是“多数服从少数”，不是“少数服从多数”，你不能投票解决物理问题。我做过很多的实验，回过来想，绝大多数的结果，虽然当时看着很重要，现在看来都很普通的思想。只有五六个实验觉得比较重要。这五六个实验，每一个实验都受到绝大多数人的反对，有的人认为物理上没有意义，有的人说太困难了，做不出来。

格拉肖：丁教授其实展示出了对于成功科学家来说最重要的两种素质。第一个是想象力。他说服自己去寻找另一种重光子，这就是想象力。但是，当他提出要做这个实验时，人们嘲笑他。他们说，这很愚蠢，我们不会支持这个实验，我们不会做这个实验。他一个实验室接一个实验室地询问。他有毅力——第二个成为伟大科学家的品质。想象力，和坚持。

迈亚尼：我完全同意谢尔登所说的话。研究是想象力和严谨思维的结合。有时候你会碰巧打开正确的门，像我们和丁教授一样。

主持人：我们知道五十年前J粒子不是在北京被发现的，但是为什么发现五十周年的纪念活动要在北京举办？

丁肇中：五十周年的活动在北京，最主要的是J粒子的家族，总共现在找到30个新的粒子，都是在中国科学院高能物理所发现的，所以他们最了解这个，贡献是非常大的。

戴维·格罗斯：北京正负电子对撞机（BEPC）运行了（近）四十年，就像丁教授说的，它在这些重光子方面做出了非凡的发现。这是一个研究量子动力学的绝佳实验室，（能探测到）夸克非常复杂和丰富的相互作用，这使我们能够从根本上理解核物质。所以这是一个非常重要的贡献，中国的高能实验取得了很大的成就。

主持人：迈亚尼教授，您对中国的高能物理的发展也非常了解，还有哪些进步和发展的空间呢？

迈亚尼：是的，事实上，我回忆起我第一次参观这个实验室（中国科学院高能物理研究所）是在1993年。那时（高能所）是一个中等规模的实验室，并不十分显眼。1993年以来取得的进步令人惊讶，特别是中微子振荡的问题，它由一定数量的参数来表征，最后一个参数在其他所有实验室都还没有被测出来，因为这个实验非常困难，而（高能所）的团队在大亚湾测出来了。他们在中国南部进行了非常聪明的实验，从中子反应堆发出中微子，测量它变成另一种中微子的概率。这是一个非常重要的实验。还有另一个（实验室）江门中微子实验（Juno）正在准备中。所以在中微子物理学和加速器物理学方面，中国在过去的二十五年里取得了巨大的进步。因此，这个实验室和中国的粒子物理学家们瞄准更宏大的目标，比如建造更大的超级对撞机，这是完全合理的，目前这个项目正在预研阶段。

基础物理研究能给世界带来什么？

主持人：最近一段时间，埃隆·马斯克成功回收了火箭，各大媒体都非常关注。马斯克经常说一句话，说“物理学没有说不”，他笃信基础物理的相关定律。马斯克曾经去过您的办公室，您给他讲什么了？

丁肇中：（马斯克）来了以后，问了几个问题。第一个问题，能不能用原子核能到火星上去。我给他展示了我现在的实验。我现在这个实验在太空，就是找宇宙的起源。我们在太空的仪器，有650个微处理机，是很大的仪器。他就问这些微处理机怎么保险，在太空有没有辐射。我就跟他说，怎么样在地面测量。非常非常细心。我记得我送他离开我办公室的时候，我说你问了我一下午，我只有一个小问题来问你，完全属于好奇。他说你问，我说你是什么时候开始赚钱的。他说他11岁的时候。所以这个人确实和别人不一样，可是看不出来就是这么能干。

主持人：所以中国有句话叫“人不可貌相”。

丁肇中：对。

主持人：就跟基础物理研究一样，不能看着不行就一定不行，也未必。

丁肇中：人都是好奇的，跟着原动力向前走，今天做不出来的事情不代表明天做不出来。

主持人：可能我们很多不了解基础物理，不了解物理学的人很难想象，对于基础粒子的研究到底能给我们的世界带来什么？

丁肇中：基础粒子研究，人类一百年以前发现电子，发现X光，当时对我们有什么用处？现在电子和X光用在医学上，是不可少的东西。（二十世纪）30年代的时候，研究基本粒子就是研究原子物理。原子物理现在用在激光、导航这些设备上。（二十世纪）50年代的时候，研究基础物理是原子核物理，原子核物理现在用在能源上。大家要了解的是，从发现一个现象到能应用的时候，可能有三十年、四十年时间，等能应用的时候就改变整个人类的生活。

主持人：格罗斯教授觉得基础物理的研究能给我们的普通大众带来什么样的价值？

格罗斯：我认为最主要的是对自然界的理解。我们生来都充满好奇心。我们人类之所以成功是因为我们的好奇心。不幸的是，许多好奇的孩子去上学，他们的老师告诉他们，“不要问这些愚蠢的问题”，于是他们的好奇心就被扼杀了。但我们中的一些人仍然保持着好奇心，正如丁教授所说，科学家一生最有意义的部分，是有能力用一生去追寻这些“为什么”和“怎么办”的问题的答案。这极其令人兴奋，也常常令人非常沮丧，但当你理解了某些事情，要么是因为你想出了一个新的想法，要么是做了一个新的实验，或者是你的一个朋友做到了，这是世界上最棒的感觉。当然，它也能产生巨大的现实回报，这是政府或公司所关心的。但真正的回报实际上只是理解宇宙是如何形成的，它是由什么组成的？它是如何运作的？它是如何开始的？这些都是很棒的问题，我们已经有了部分很棒的答案，而且我认为从长远来看，这比我们所有发现带来的显而易见的物质和技术层面的回报要重要得多。

格拉肖：这实际上是一种信念。我喜欢回想一百年前，量子力学诞生的时候，有一群年轻人，其中有一个比其他人稍大一些，那就是尼尔斯·玻尔，但还有像海森堡、泡利等等这样的人，都是非常年轻的小伙子，大多二十多岁，非常国际化。有一个丹麦人，一个奥地利人，有几个德国人，还有法国人，有一位波兰裔法国女士。一大群年轻人在不同的城市，主要是哥本哈根，来回奔走，四处探索，研究原子理论。它是如何构成的？是如何组合在一起的？规则是什么？这就是量子力学的诞生。这些年轻人并不是为了赚钱，他们没有成立公司，他们没有试图为量子力学申请专利。可能会有一份工作，比如成为一名教授，他们大多数人也确实成为了教授，但是为了学习、求知、教学，以及理解宇宙的乐趣。我们当然有义务，尽我们所能，去了解这个我们出生的世界。

戴维·格罗斯：物理教育是最好的教育

主持人：有很多学基础科学的人，因为种种原因没有坚持自己的梦想。比如说几位有没有学生本来是跟你们学物理的，后来去搞金融了，有吗？

格罗斯：是的，不是很多，有一些。有时候我会感到很遗憾，因为那些常常是很出色的学生，他们转去了金融领域。但你知道，物理学家们一直都在从我们所谓的传统物理学领域，转移到其他领域。

迈亚尼：欧洲核子研究中心有一个统计数据显示，在欧洲核子研究中心完成博士论文的人当中，只有40%会留在物理学领域。那他们去做什么了呢？他们去了银行，在工业界工作，但他们带来了（学习物理）获得的能力，比如计算、电子知识，哪怕仅仅是逻辑思维能力，这些都是非常有价值的。

格罗斯：物理教育是最好的教育。因为我们教学生如何从本质上思考，如何处理大自然提出的问题，构建模型，发明新的观察方法，量化数据等等。我们教学生如何思考，这可以直接用于理解所谓物理世界中的问题，也可用于理解物理之外的问题。有时我觉得如果我的一个学生最终进入了其他领域，我会感到难过，因为他将无法享受研究物理的乐趣。我确实试图告诉我的学生，赚钱不如享受你所做的事情以及生活重要。但总体来说，我认为这是好事。我真的认为我们可能应该培养两倍数量的物理学家，并且有两倍数量的人流失到其他领域，这对世界是有益的。

主持人：今年诺贝尔奖，物理学奖被一个研究计算机的科学家获得了，会不会对我们未来物理学的研究方向产生一些影响？

格罗斯：在我看来，这正是一个运用物理思想做发明的最佳案例。它对所有其他科学都产生了巨大影响，如神经科学、生物学以及计算机科学。这个奖授予了约翰·霍普菲尔德，我在普林斯顿时候的一位同事。他是一位一流的凝聚态理论家，对大脑如何工作感兴趣，并运用来自凝聚态物理学的理念，自旋玻璃的思想。他想出了一个非常绝妙的主意，即如何由这些自旋或自旋的类似物构建出一种联想记忆。诺贝尔奖的另一半由一位来自计算机科学的人分享，他完善了这些应用的部分内容，并且现在成为一些重要科学的基础，造就了机器学习、大型语言模型、人工智能……所有这一切都来自物理学，所以这在物理学中是很常见的。我想我们应该从广义上去定义物理学。什么是物理学？因为对于自然而言，并没有物理化学这样的区分，自然就是自然。

格拉肖：要理解（今年的）诺贝尔奖，只需要读一读诺贝尔的遗嘱，这个奖项的宗旨是颁发给对人类福祉贡献最大的理念或发现。无论我多么支持把诺贝尔奖颁给引力波这一发现，人工智能的发展对人类福祉的改变，毫无疑问比引力波要大得多。所以我认为这次诺奖颁得非常棒。

迈亚尼：对于本次诺贝尔奖，我赞同戴维所说的。设想如果在丁教授做实验之前，你去问人工智能，粲夸克存在吗？我曾经遇到过类似的情况：当我们提议建大型强子对撞机（LHC）去寻找希格斯玻色子的时候，我受到了一些美国人的质疑，他们说现在我们的计算机程序几乎什么都知道，为什么你必须做实验才能找到答案？但这是荒谬的。我们永远无法先验判断结果是“是”还是“否”。粲夸克存在吗？这是一个关乎自然的问题，而不是一个人工智能可以解答的问题。人工智能只能收集人类目前所知道的（知识）。但故事总有未知的部分，那就是自然。如果不做实验，你永远无法解答。

主持人：丁教授您觉得，AI最近如火如荼地发展，您觉得AI的出现对基础物理研究的范式会产生哪些影响？

丁肇中：我猜想AI当然是非常重要，（但）它不会想出四（维）空间，不会想出量子力学，不会想出相对论。就是创造性的东西，我认为AI不会想出。

主持人：在座的同学你们有没有人看过《生活大爆炸》这个美剧？从你们的表情当中我们就读出了一些什么，坦率地讲，我就是从这部美剧当中获得这些基础的物理学知识的，我们听说美剧当中的物理学家谢尔登就是您本人，是吗？

格拉肖：是的，《生活大爆炸》中的主角是谢尔登·库珀，据说谢尔登和我有联系，而库珀又和美国布朗大学的诺贝尔奖得主利昂·库珀有联系。这个节目在中国非常受欢迎。我知道这一点是因为我去中国十个不同的城市、至少十所不同的大学做演讲时，甚至在一些高中，孩子们总是会问一些关于《生活大爆炸》的事情。

主持人：您觉得《生活大爆炸》当中谢尔登这个角色跟您本人像吗？

格拉肖：不像！

主持人：完全不像？

格拉肖：我不看愚蠢的电视剧，我做物理研究。（笑）我知道它有多受欢迎，这个节目能让孩子们对科学产生兴趣。我是通过阅读科幻小说对科学产生兴趣的。当原子弹投在日本的时候，我12岁，虽然我还不懂量子力学，这是肯定的，但我知道炸弹与铀有关，以及铀的一种同位素是可裂变的，而另一种同位素不可裂变。我在12岁的时候会向我的初中老师解释这些，这就是阅读科幻小说的好处。并不是说我有多聪明，而是因为我读了科幻小说。所以你永远不知道是什么造就了科学家。

主持人：你们几位科学家是怎么爱上物理的？

迈亚尼：坦率地说，我学习物理是因为我对天文学感兴趣。我读过一本由意大利天文学家写的关于太阳如何运作的书。它非常吸引人，以至于我想了解更多。成为一名科学家意味着真正投入你的一生。我记得当我的孩子们看到我有点心不在焉时，他们会说，看，他又在琢磨物理了。

主持人：你们眼中的物理之美是什么样？

丁肇中：对我个人来说，好奇，想了解自然现象，做别人做不到的。

格罗斯：什么是物理学之美？美确实很难定义，亲眼看看才会懂。但就像很多美丽的事物一样，它是一种后天培养的品味。所以很难解释一个方程式为什么是美丽的。我们对自然的许多解释结果都极其美丽，常常是数学意义上的美。我们对我们的解释如此美丽感到有些惊讶，或者甚至不知道这意味着什么。但就像刚刚说的，我认为作为一个物种，我们已经进化到试图理解物理世界，我们非常成功。当我们理解某件事情时，我们的大脑会奖励我们，给我们带来一阵愉悦，我们通常把这称为美丽。

粒子物理的未来方向在哪儿？

主持人：今天录制节目之前我们也搜集了一些年轻科学家想向各位提出的问题，他们有人说粒子物理的未来方向在哪儿？

迈亚尼：我不认为物理学已经终结，仍然有许多问题我们还不知道答案。但是我们现在能说的是有限的，这个限制是由我们能够推动实验装置的能量大小所决定的。比如，我们知道在宇宙中存在大量具有引力作用但不是由质子和中子构成的物质，这被称为暗物质。暗物质是由什么构成的呢？会是比希格斯玻色子更重且我们还未能制造出来的粒子吗？有这样的理论，也有其他类型的理论。在做实验之前，我们无法知道答案是什么。这也正是我们认为必须推动建造更高能量实验装置的原因之一。

格罗斯：最终，所有科学都基于实验。我们基于自己的理解做出预测，然后向自然寻找答案，检验这些预测是否正确。自然从不说你是对的，它只说你是错的。大多数时候它说你是错的，有时它会说“好吧，这次预测中了，从头再试一次。”于是我们一次又一次尝试。过了一段时间，如果我们足够多的预测都没有错，我们就开始有信心了。如今实验变得有点更困难了。实验的时间跨度如今是几十年，而不是几年；所涉及的能量非常大，距离非常小。所以目前，环形正负电子对撞机（CEPC）正处于预研的收尾阶段，即将准备好成为世界探索物质微观性质的主要工具。这对中国来说是一个巨大的机遇。

格拉肖：许多年前，粒子物理实验一直由美国人主导。美国人建造了第一台回旋加速器，第一台大型加速器，做出了重要发现，才有了我们今天的成就。然后从上世纪70年代中期左右，欧洲开始发挥重要作用。在过去的五十年左右，欧洲一直是高能物理研究的中心。现在，再过二十五年左右，中国可能会拥有下一台大型加速器。如果要我打赌，我认为欧洲人不会那么快有所行动。于是中国就有了一个独特的机遇，踏入这个领域，成为我们所说的高能物理学或基本粒子物理学的主导力量。

迈亚尼：我热爱物理，这是我唯一能做的事。当然，我们还必须说服我们的上级在这个领域投资，这（比做科研）更难。当我担任欧洲核子研究中心（CERN）主任时，我多次不得不回答这个问题：我们为什么要建造一台超级加速器？原因是什么？然后，我不能只说因为好奇心。所以他们为什么要为此投入资金呢？首先，年轻人通过这种（实验）经历得到锻炼，并非所有人都会成为像谢尔登·格拉肖之类的人物。他们中的许多人会从事一段时间相关工作，然后进入社会。他们会把自己的知识技能带入社会。这是社会能够从高知识水平人群中获得的最大收获。事实上，（为了建大科学装置）他们一定会承担非常困难的工作，在做这项工作时，他们将不得不进行一些发明创造，并且这些发明创造可能非常有用。有一个大家都知道的例子，当（欧洲核子研究中心）进行实验时，有一个大型合作项目，必须有一种方法在各方之间交换数据。当时，美国、欧洲等地的物理学家通过发传真来进行数据交换，这时，在欧洲核子研究中心工作的某个人说：“我们可以建立一个网络，沿着这个网络我们可以找到你们在美国的数据，并把它传输到这里。”这就是万维网。为了让大型强子对撞机（LHC）能实现数据交换，我们不得不实现了我们现在所说的云计算的第一个实例。现在每个人都知道云计算，但在当时，这是一个完全陌生的概念，并且它首次被应用于（处理）大型强子对撞机的大量数据。所以，我认为这些各种因素足以证明政府的投资是合理的。

格拉肖：还会拿许多的诺贝尔奖。

迈亚尼：拿许多的诺贝尔奖。这是笔好投资。

格拉肖：有一个我们还没有谈到的话题，那就是科学本质上具有国际性、普世性的方面。科学不是美国独有的，不是欧洲独有的，也不是中国独有的，而是我们大家共同从事的。毕竟，世界上最成功的国际科研机构是欧洲核子研究中心（CERN），它涉及100多个不同国家之间的合作。那么让我给你们讲一个我所知道的中美之间科学合作的第一个例子。它发生在1960年的哥本哈根，尼尔斯·玻尔的儿子奥格·玻尔，带着我们一群在哥本哈根学习和研究的博士后，来到一个小岛的避暑别墅寻找化石。我们跳进一些岩石裂缝里，我们拿了锤子，敲碎岩石找到了三叶虫。每个人都找到了一些三叶虫带回家。但是我厌倦了这样做，我的伙伴也是，他是第一个访问哥本哈根的中国物理学家（冼鼎昌），所以我们离开了。我们爬出裂缝，沿着这个岛走，直到我们发现一棵樱桃树。樱桃树上有樱桃，但很高，我够不着，所以我建议他站在我的肩膀上，也许我们能够到樱桃，但我们还是够不着。所以我们下来，四处寻找，找到了一根长树枝，然后他拿着树枝站在我的肩膀上，用树枝拉下了一根树枝。我们摘到了很多樱桃，吃得几乎要吐了。然后我们回到还在裂缝里的朋友那里，然后回家了，这就是中美之间科学合作的第一个确切例子。

丁肇中：我拿到诺贝尔奖的通知以后，在报上公布以后，有一个很有名的科学家叫理查德·费曼，他就写了封信给我：恭喜你拿诺贝尔奖，千万不要以为自己了不起。就是因为这句话，我从来不签名支持任何我不了解的事情。从1978年开始，就每年有10个到20个中国科学家到我这儿合作，现在已经快四十年了，很多的科学家在我那儿工作过。所以我对中国科学家能力比较了解。从我的了解上，做这个加速器一定会成功的。中国有很长的历史，中国人口占世界上五分之一的人口，过去几千年来对人类的知识、文化是非常有贡献的。所以，现在中国已经站起来了，应该继续为人类的知识作出重要的贡献。我觉得这是做前沿加速器最重要的意义。

致谢：感谢中国科学院高能物理研究所提供访谈字幕稿。