丁肇中:J粒子之父

时间:2022-08-29 01:16:04

丁肇中(Samuel Chao Chung Ting)(1936年1月27日-),美国实验物理学家。丁肇中的祖籍山东省日照市涛雒镇,华裔美国人,现任美国麻省理工学院教授,曾获得1976年诺贝尔物理学奖。他曾发现一种新的基本粒子,并以物理文献中习惯用来表示电磁流的拉丁字母“J”将那种新粒子命名为“J粒子”。

与实验物理结下不解之缘

丁肇中的父亲丁观海、母亲王隽英皆任教于大学。1936年丁观海和已有身孕的妻子王隽英到美国进行学术访问时,王隽英意外早产。这个提前来到人间的婴儿,就是丁肇中。

1948年冬,丁肇中开始接受正规教育。受家庭的影响,他对学习一丝不苟,读书专心致志,遇到疑难问题,便找遍书本,务必得到答案才肯罢休。一次物理老师出了一道思考题,很多同学想了想觉得很难就放弃了,等着老师讲解,丁肇中不是这样,他吃饭想、走路想,别的同学都出去活动了,只有他还对着那道题苦苦思索,终于想到了解决问题的方法,他马上跑到图书馆查找资料验证自己的方法是否正确,直到确认自己的解题方法没有错误,他才满意而去。课堂上他聚精会神地听课,不论对自己的答案有没有把握,他总是第一个举手回答老师的提问。课后和同学们讨论问题时,往往要辩论到“甚解”才肯罢休。他的课余时间大部分是在图书馆度过的,很少与同学一起打球、看电影。他认为“最浪费不起的是时间”。

由于丁肇中勤奋刻苦,各门功课成绩优良,尤其突出的是数理,这为他实现终身的奋斗目标打下了扎实的基础。

1956年9月,丁肇中依依不舍地告别了父母,开始了在密歇根大学的艰苦学习。

在大学期间,丁肇中能打破书本的局限去理解物理现象。他认为“作为一个科学家,最重要的是不断探寻教科书之外的事物。”

丁肇中经过三年的努力,获得了数学和物理学硕士学位,之后又在密歇根大学物理研究所攻读了两年,提前获得博士学位。他本来想成为一个理论物理学家,但有两件事促使他改变了自己的志向。一件是在研究所中,他虚心向乌伦伯克・凯斯等学识渊博的名教授请教,他们都非常喜欢这个勤奋的中国学生。乌伦伯克教授告诉他:作一个实验家比理论家有用。另一件是进研究所的第一个夏天,有两位教授正在进行一项暑期实验工作,缺少一名助手,丁肇中应邀参加了实验。从此,他与实验物理结下了不解之缘。

发现J粒子 获得诺贝尔物理学奖

1965年起,丁肇中领导的实验组在联邦德国汉堡电子同步加速器(束流能量为7.5×109eV)上进行了关于量子电动力学和矢量介子(ρ,ω,φ)的一系列出色的实验工作,其中包括光生矢量介子、矢量介子衰变的研究、矢量为主模型的实验检验、ρ、ω、φ介子光生相位的测量和ρ、ω介子干涉参数的精密测量等,推进了对矢量介子的认识。还在实验上证明了量子电动力学的正确性。

1972年夏,丁肇中实验组利用美国布鲁克海文国家实验室的3.3×1010eV质子加速器寻找质量在(1.5-5.5)×109eV之间的长寿命中性粒子。1974年,他们发现了一个质量约为质子质量3倍(质量为3.1×109eV)的长寿命中性粒子。在公开发表这个发现时,丁肇中把这个新粒子取名为J粒子,“J”和“丁”字形相近,寓意这是中国人发现的粒子。与此同时,美国人B・里希特也发现了这种粒子,并取名为ψ粒子。后来人们就把这种粒子叫作J/ψ粒子。J/ψ粒子具有奇特的性质,其寿命值比预料值大5000倍;这表明它有新的内部结构,不能用当时已知的3种味的夸克来解释,而需要引进第四种夸克即粲夸克来解释。J/ψ粒子的发现大大推动了粒子物理学的发展。

丁肇中的研究工作以实验粒子物理、量子电动力学及光与物质相互作用为中心。他在学术上的主要贡献有:(1)反氘核的发现;(2)25年来进行了一系列检验量子电动力学的实验,表明电子、μ子和τ子是半径小于10-16厘米的点粒子;(3)精确研究矢量介子的实验;(4)研究光生矢量介子,证实了光子与矢量介子的相似性;(5)J粒子的发现;(6)μ子对产生的研究;(7)胶子喷注的发现;(8)胶子物理的系统研究;(9)μ子电荷不对称性的精确测量,首次表明标准电弱模型的正确性;(10)在标准模型框架内,证实了宇宙中只存在三代中微子。

由于丁肇中对物理学的贡献,他在1976年被授予诺贝尔物理奖,并被美国政府授予洛仑兹奖,1988年被意大利政府授予特卡斯佩里科学奖。他是美国国家科学院院士,美国文理科学院院士,苏联科学院外籍院士,中国台北中央研究院院士,巴基斯坦科学院院士。他曾被密歇根大学(1978)、香港中文大学(1987)、意大利波洛格那大学(1988)和哥伦比亚大学(1990)授予名誉博士学位。他是中国上海交通大学和北京师范大学的名誉教授。1977年获美国工程科学学会的埃林金奖章,1988年获意大利陶尔米纳市的金豹优秀奖及意大利布雷西亚市的科学金奖章。

关心祖国科学发展

丁肇中虽然少小离开中国大陆,然而,他对自己的父母之邦却有着极为深厚的感情,无论是在顺利的时候,还是登上科学高峰时,他都没有忘了自己的根。丁肇中因发现构成物质的第四种基本粒子――J粒子,获得1976年诺贝尔物理学奖。颁奖仪式上,他用一口流利的汉语发表演讲,使代表华夏民族的语言第一次在诺贝尔颁奖大厅响起。但这一愿望起初遭到美国官方反对,美国驻瑞典大使找到丁肇中说,你是美国出生的,不应用中文致辞,而且在场的大多数人听不懂。丁肇中回答:“在场的听不懂没关系,这是全球广播,我希望占全球1/4的中国人听到。”

除了在获得诺贝尔奖时那篇著名的演讲之外,在各种场合,他都不时地流露出对祖国的深情厚谊。他说过:“中国是一个具有悠久历史和有过影响深远的科学发现的国家。我相信随着社会稳定,对科学事业的不断鼓励和支持,在未来的年代里,中国必将会对科学做出许多十分重大的贡献。”

1978年1月,中国10位物理学家到汉堡,参加了MARD-J实验的国际合作。此后先后有一百多名中国物理学家和研究生到他领导的实验组工作和学习。在他的领导和帮助下,中国科学家在L3探测器的设计、制造和数据分析中都发挥了重要的作用,在国际高能物理实验中占有一席之地。他说:“与中国的合作令人满意。”他还说:“这几年,中国科研人员的素质有了很大改善从领导到一般科技人员,都大大年轻化了。科学,尤其是自然科学的重要发现都靠年轻人。像牛顿、法拉第、李政道、杨振宁,他们的重要发现都是在年轻的时候。因此,我对科学院年轻的科技人员抱有很大的希望。”

丁肇中虽然入了美国籍,但他深深地惦念着中国。为了祖国高能物理的发展,他不辞辛劳、远涉重洋,多次来大陆从事学术交流和参观访问,介绍国际高能物理的发展,努力促进国际物理学界同中国物理学家合作。在他亲自指导和无微不至地关怀下,从事研究的中国科学工作者有的已经在欧美获得了博士学位。他不仅为中国培养了一批实验物理的科研人才,而且还热心为祖国培养实验物理的研究生而努力奔波。他受聘出任中国科技大学名誉教授。丁肇中说:“四千年以来中国在人类自然发展史上有过很多重要贡献,今后一定能作出更大的贡献。我希望在自己能工作的时间内,为中国培养更多的人才。”

1992年7月4日,丁肇中被中国科技大学授予名誉博士学位。1994年6月他被选为中国科学院首批外籍院士并在1996年度获中国国际科学技术合作奖。2002年6月,在距第一次回归故里17年后,66岁的丁肇中又一次踏上了故乡山东日照的土地。海滨金色的沙滩上,他深情地抓起一把沙子,用手指来回揉搓着说:“这沙子比夏威夷的还要好……”最令丁肇中动情的莫过于参拜祖居、祭谒祖墓。在祖父坟前,丁肇中说:“真应该把儿子带回来,让他看看家乡,让他知道他的根在这儿。”

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