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2016-02-01丁肇中的實驗物理—也談物理課中的典範敘述
554 期
Author 作者
簡宗奇／桃園市立南崁高中物理科教師。
能給電子一個大小嗎？
電子之為物，微乎其微；電子之小也難以詞敘，但其影響力能造就如此繽紛多彩的3C產業，影響現代人類生活至深且鉅。不過當學生一問：「電子既然是基本粒子，那它有體積嗎？」「如果有體積，那半徑是多少？」倒還真的不容易回答；這是大哉之問，不管是看成是科學式或是哲學式的命題，要提出中肯而完整的答覆是有相當難度。我通常會以華裔諾貝爾物理獎得主丁肇中教授過去在這方面的實驗研究為例回應，並簡述一段粒子物理發展的歷程與故事。
丁肇中是來自臺灣在國際發光的實驗物理巨擘，近半世紀以來的成就已為學界崇高典範，同為華人都能深感光榮。從他身上可見其鮮明的人格特質，其堅毅卓絕的精神與窮究物理的睿智，更值得我們嚮往與學習。
1947年間，由費曼、薛文格與朝永振一郎建立的量子電動力學主張電子是沒有體積的點狀粒子。但是在1964年，美國哈佛大學與康乃爾大學的專家實驗結果否定了此一說法，他們利用高能光束照射電子的研究發現電子是有半徑的，且在10-13至10-14公分之間。
對此一理論與實驗的衝突，丁肇中在1966年用德國電子同步加速中心的機器以不同方法重做了此一實驗，最後證明電子的半徑小到不可量度，量子電動力學（QED）還是對的。30年之後，他又利用歐洲共同核子研究所的LEP加速器進行相同的實驗，靈敏度再提升了3個數量級後結論依然不變：電子沒有體積，QED 正確無誤。丁肇中藉此給了我們一個體會，這也是科學家應有的懷疑態度，不畏懼挑戰權威，永遠要保持獨立思考，「不要盲從專家的結論。
在不疑處有疑
接著丁肇中就質疑，「同樣是基本粒子的夸克就只有三種嗎？」雖然當時以三種夸克的論點就已能解釋看到的所有現象；如要找尋新夸克，需要靈敏度更高的探測器，學界多半認為不可能也沒必要，因此他提出的計畫未受青睞、飽經挫折；經過多年的努力之後，才在美國布魯克海汶國家實驗室的AGS加速器進行這項實驗計畫。......【更多內容請閱讀科學月刊第554期】