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。

實驗是自然科學的基礎(chǔ)，理論如果沒有實驗的證明，就沒有意義。當實驗推翻了理論以后，才可能得到新的理論。而理論是不可能推翻實驗的。

過去四百年，我們對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本了解，大都來自于實驗物理。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落地。那個加速器能量非常低[0.0001eV]，可是現(xiàn)在還存在，為人類做出了最重要的貢獻?，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]。這個加速器的一個比較重要的“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年進入密歇根大學，1962年拿到博士學位。拿到博士學位以后，我很快就決定自己做實驗。第一個實驗就是證明電子是沒有體積的，它的半徑小于10∧-14厘米。我1965年的實驗測量了電子半徑：在1948年，根據(jù)量子電動力學(QED)，由Richard Feynman，Julian Schwinger和朝永振一郎提出了一個理論：電子是沒有體積的。這個理論被當時所有的實驗所證實，因此他們獲得了諾貝爾獎。但是到了1964年，哈佛大學和康奈爾大學很多很有名的教授，或多年專門從事這種實驗的專家們，用了多年的時間做了兩個不同的實驗，得到了相反的結(jié)論，說量子電動力學是錯誤的，電子是有體積的，它的半徑不是小于而是等于10∧-13~14厘米。因為他們做了兩個不同的實驗，得到同樣的結(jié)論，所以受到了物理界的認可和重視。

哈佛—康奈爾實驗與費曼、施溫格、朝永振一郎理論的對比

因為這是關(guān)于物理基本觀念的實驗，所以我決定用不同的方法來測量。那個時候我剛剛拿到博士學位，沒有任何經(jīng)驗，所以沒有人相信我能夠做出這樣的實驗，更沒有人支持。在1965年，我決定放棄在美國大學的前途，到德國新建的加速器（DESY）用不同的方法重復了這個實驗。用的加速器周長是320米，當電極轉(zhuǎn)過磁鐵的時候，就會發(fā)射75億電子伏的光，光打在電子上（使其加速）。這兩個人是我當年的學生，一個學生現(xiàn)在是普林斯頓大學的副校長，另一個并不是個特別好的學生，現(xiàn)在是一個有成就的工業(yè)家。

實驗示意圖

八個月以后，我的實驗證明，量子電動力學是正確的，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。

量子電動力學是正確的

所以我做實驗的第一個結(jié)論是：不要盲從專家的結(jié)論。我之前什么實驗也沒做過，這是我的第一個實驗。另外兩個隊伍都是有名的科學家，結(jié)果都是錯的。

第二個實驗就是發(fā)現(xiàn)新粒子的實驗，是于1970年到1974年在美國的長島（布魯克海文）國家實驗室完成的。1970年，物理學家都認為，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，我決定建造一個高靈敏度的探測器。

美國布魯克海文國家實驗室

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

這個實驗不受世界上所有物理學家的歡迎。理論物理學家都相信只有三種夸克。原因很簡單，因為三種夸克已經(jīng)可以解釋所有當時已知的物理現(xiàn)象；而實驗物理學家認為，沒有人能做出這樣困難的實驗。所以這個實驗幾乎被世界上所有的實驗室所拒絕。1970年，美國布魯克海文國家實驗室接受了我的實驗。

為了能從100億個已知粒子中找到一個新粒子,這個實驗必須每秒鐘輸入100億個高能量的質(zhì)子到探測器上。這么多的質(zhì)子輸入探測器所產(chǎn)生的放射線會徹底破壞探測器,對工作人員也是非常危險的。因此,必須發(fā)展全新的、非常精確的，在非常強的放射線下,能正常工作的全部儀器，也必須設(shè)計安全的屏蔽系統(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？因為肥皂里面含水最多，水可以阻止慢性的中子。整個加速器把所有的粒子同時發(fā)射，也就是說每秒鐘發(fā)射一百億個粒子，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的放射性下工作。到了1974年，就是兩年以后，實驗發(fā)現(xiàn)了新的粒子，它有一個奇異的現(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

沒有人會想到有這種現(xiàn)象，所以當時物理界的人說，這是物理界的“十一月革命”，那個時候我還不知道“十月革命”是什么。J粒子的發(fā)現(xiàn)改變了人們對于基本物質(zhì)的認識。

我做實驗的第二點體會是：做基礎(chǔ)研究，要對自己有信心，做你認為正確的事情，不要因為大多數(shù)人的反對而改變。我做實驗已經(jīng)多于五十年了，每一個實驗都受到大量的人反對，可是我“容忍”別人錯誤的判斷。

第三個實驗是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；電弱力是由光、Z0、W±子傳輸?shù)模粡娏?，是在夸克中間的力，是由膠子傳輸?shù)摹?