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2021-03-16J 粒子的發現－《科學的人文》
471 期
Author 作者
陳敏
我第一次見到丁肇中博士是1967年在史丹佛大學的高能物理學會舉辦的國際電子光子會議（Electron and Photon International Conference）上。當時我在加州柏克萊大學攻讀博士，即將完成博士論文，特地來參加會議。而丁肇中是那次會議的主講者之一。
開會前，我在《物理學快報》上看到一則消息：康乃爾大學研究組的報告宣稱，物理上最基本的量子電動力學（Quantum Electrodynamics，簡稱QED）已被推翻。這對科學界的震撼和影響非常之大，比李政道和楊振寧推翻弱作用力（Weak Interaction) 中的對等性定律（Parity Violatio）的影響更驚人。因為量子電動力學是最基本的科學，是電動力學的一種，符合相對論的量子領域理論。
量子電動力學用數學描述所有光與電的交互作用，及帶電粒子間通過光子或電子交換的交互作用現象。量子電動力學被稱作「物理學的瑰寶」，因為它能非常精確地預測所有低能量或大距離的現象。有如電子與μ輕子（Muon）的異性磁矩（Magnetic moment）的大小及氫原子能級的藍姆位移（Lamb Shift）。
量子電動力學是理查．費曼（Richard P. Feynman）、施溫格（Julian Seymour Schwinger）和日本科學家朝永振一郎（Sin-Itiro Tomonaga，〔註〕）研究出來的理論。由於他們研究量子電動力學的貢獻，於1965年共同獲得諾貝爾獎。如果他們的量子電動力學被推翻，那在高能物理領域就幾乎不存在理論物理了。
所以我饒有興趣地參加了這次大會。在大會上，美國東西兩所名校史丹佛和康乃爾的研究實驗皆證實量子電動力學被推翻之後，整個大會廳頓時變得異常嘈雜，大家議論紛紛，很熱鬧。
緊接下來的演講者居然是一位華裔教授！在當時，丁肇中（Samuel Chao Chung Ting）這個名字幾乎沒有人知道。他身材高大魁梧，眼睛炯炯有神。他一上臺，目光掃視全場，會場漸漸安靜了下來。他開始不疾不徐地說話，句句鏗鏘有力，將他的小組的實驗結果一一列舉，一步一步地證實，他們的實驗結果與量子力學的結果預測完全符合。而且實驗結果比史丹佛和康乃爾兩所大學的實驗結果都要精確。也就是說，他證明了前兩所大學的實驗都是錯誤的！
丁肇中演講一結束，立即引起全場再一次騷動。大家對這位華裔科學家的研究佩服萬分。日後丁肇中經常說：「會議後，史丹佛小組想要撤回他們推翻量子電動力學實驗證據的論文，但被會議主席拒絕了，因為學會嚴格規定，凡是已經提交的論文，一概不准撤回。」
我費了九牛二虎之力，才得到丁肇中的演講報告，帶回柏克萊大學。在接下來的幾天裡，我都抽出時間在校園裡細心研讀，仔細思索，為什麼丁肇中的實驗既精確又可靠呢？ 我逐漸悟出一個道理，丁肇中實驗用的一套儀器，是水平雙臂質譜儀。這套儀器運作簡單，信號強，背景弱，與其他兩所學校的儀器相比，確實有很多優點。但我也發現這個儀器有些地方還可加以改進，這奠定了我日後設計儀器以發現J粒子的基本構想。於是我寫信給丁肇中，表示對他的崇敬，並表示願意加入小組，共同合作。
丁肇中遂約我在史丹佛大學會面，這是我們第二次見面。這次他帶來一位德國學生貝克（Utrich Becker）。
他們倆問我：「你對我們的將來會有什麼貢獻？」
我回答：「你們所用的儀器固然非常優秀，但是有缺點，我有信心能夠設計出一套更精準的儀器。」
顯然我自信的回答成功地說服了他們。當時急於趕回德國漢堡實驗室的丁肇中當場表示，很高興與我合作，希望我參與他們的研究工作。
就這樣，1968年底，我完成加州柏克萊大學的博士論文答辯和考試，並獲得博士學位之後，我和妻子世善帶著剛出生三個月的欣宇，便動身途經紐約趕往漢堡實驗室。
不料德國對持中華民國護照者辦理簽證的進度極端緩慢，儘管麻省理工學院出具了書面證明書，漢堡實驗室也出具了邀請函，可是德國仍遲遲不發簽證給我。我在紐約足足等了一個月，又在英國劍橋大學等了幾個星期後，才得到德國大使館的簽證通知。我從溫暖的加州到冰天雪地的英國，凍得渾身發抖，記得當時我很無奈地買了平生第一件羊毛大衣。在劍橋大學時，我在柏克萊大學的老同學丘君盛情款待我們。那時英國劍橋大學的宿舍內沒有暖氣，只有一個小電爐，我蓋了六床毛毯還是凍得發抖。
終於可以飛德國了！美國物理學家比爾（William Bertram）親自來機場接我，並安排我們一家住在德國電子同步加速器實驗室裡的招待所（Deutche Electronen Synchrotron，簡稱DESY）。
比爾是丁肇中實驗室的第二負責人。他大概三十歲左右，身材高瘦，褐髮褐眼，眼睛閃閃發亮，皮膚蒼白，聲音柔和，充滿幽默感，散發智慧之光。他菸癮很大，不時抽著煙斗。接下來的幾天裡，比爾專程駕著一輛法國雪鐵龍雙馬車（CITROEN Deux Chevaux，法語意雙馬）接待我們。這輛法國洋鐵皮汽車有極軟的彈簧、帆布天窗，由薄薄的洋鐵皮製成，帆布椅子由簡單的金屬管架固定在車板上。這是我有生以來第一次看到如此獨一無二的汽車，真像坐馬車似的。
比爾駕駛著這輛別緻的汽車帶我們全家參觀漢堡各處的景點，飽覽了植物園和花園（Planten Und Blomen）的奇花異草，對漢堡庭園藝術化的燈光設計讚不絕口。五顏六色的噴泉配合古典音樂飛旋舞蹈，當時在電子操縱器發明之前，能有如此精確的機械操控，實在令人佩服。漢堡是德國最大的港口，二次世界大戰期間被聯軍轟炸，整個城市變成一個大火爐，大多數街道的柏油燃燒，使得漢堡處處斷壁殘垣，到處可見戰爭的傷痕。我們實驗室的外面即是一大片的廢墟。
我們的招待所是一棟五層樓的建築，正式的名稱為居住機（Wohnetron）。作為加速器（tron）預算與財政的一部分，這樣的「招待所」更容易得到政府的批准與資助。公寓麻雀雖小，五臟俱全，一切陳設設計精緻，每一種家具都可以做多種用途， 居家相當舒適。庭院四周花木扶疏，有蓊蓊鬱鬱的樹林和闊大的草坪，還有魚池及小溪流水。從公寓僅僅幾分鐘即可走到辦公室、自助餐廳和同步加速器實驗室。
當時我的月薪大約是七百美元，比我妻子在加州帝國醫院當助理統計員的薪水還要低許多，但是可豁免美國的所得稅，加上當時一塊美元可兌換五個馬克或者瑞士法郎（現在一塊美元兌換不到一塊瑞士法郎），所以我們在德國的生活過得還頗為寬裕。抵達漢堡不久，我就買了一輛德國製的嬰兒車，設計精巧、輕便又具多種功能，既可當嬰兒車，又可買菜用。我的太太世善經常推著兒子欣宇在附近露天市場買菜。有一天，我們一家三口走到實驗室大門的時候，突然一輛賓士S280停在我們旁邊。丁肇中教授從車裡出來，顯然是剛從國外回來。他看見我兒子，既羡慕又妒嫉。據說，他一直渴望有個男孩傳宗接代，卻未能如願。
他當時說：「好物理學家生不出兒子！」半是開玩笑，半是無奈的自嘲。丁肇中的妻子凱．路易絲．庫恩尼（Kay Luise Kuhne）是美國人，性格非常溫柔親切，她很支援長期在外工作的丁教授，放棄了自己的建築師事業。他們育有兩個像洋娃娃一樣美麗可愛的女兒：珍妮和艾美。
儘管我和丁肇中都來自臺灣，擁有共同的母語，然而，丁教授只說英語，他從未對我說過中國話。他的父親是著名的土木工程學家丁觀海，和妻子王雋英在美國進行學術訪問時，生下了丁肇中。他出生後不久就隨父母回到中國，卻遇上中國戰亂，十二歲時隨父親到了臺灣。我們都是就讀臺北的建國中學，他是我的學長。畢業後，丁肇中想報考他父親任教的臺灣大學。大學聯考放榜時，他和同學一起在收音機前聽結果，當他得知沒考上第一志願臺灣大學時，以拳頭猛擊桌子，差點把收音機打翻了。同學大為吃驚，沒料到他的反應竟會如此激烈。他考中臺灣省立工學院機械工程系，也就是現在的臺南成功大學。在成功大學讀完一年級後，他就懷揣一百美金回到出生地美國，在密西根大學繼續讀大學與研究生，獲得數學和物理學碩士學位，又在密西根大學物理研究所獲得博士學位。
我們組裡包括合作項目，全部師生總共十二位：阿爾文斯萊本（H. Alvensleben）、貝克（U. Becker）、威廉．貝特拉姆（William K. Bertram）、柯恩（K.Cohen）、納賽爾（T.M. Knasel）、馬歇爾（R.Marshal）、昆因（D.J. Quinn）、羅德（M. Rohde）、桑德斯（G.H. Sanders）、丁教授和我。
柯恩比我早幾個月加入研究組，負責向量媒介子生產強子的實驗資料分析。有一天，他手上拿著一份六寸厚的電腦列印程式，向我訴說他最近情緒低落，因為他已經找了好幾個禮拜，卻怎麼也找不到錯誤在哪裡。
我問了他幾個問題，瞭解程式結構以後，用幾分鐘就精確找到「錯誤」。在動量傳遞（momentum transfer）定義錯了一個符號，這樣程式立即可以再操作。
柯恩驚訝極了，他跟大家布宣布這個「奇蹟」。從此之後，大家即稱我為「福爾摩斯偵探」，也都公認海底撈針是我的拿手絕活。
每次丁教授從國外旅行回來後都會立即召開小組會議，還嚴厲地批評大家的工作，特別是針對第二負責人比爾的職責及其研究，毫不含糊地顯示他才是真正的頂頭上司。面對如此嚴厲的攻擊和嘲諷，比爾總是有風度地保持微笑，淡定地吸著煙斗，溫和的性格和幽默感依然一絲不變。至少從未表示出半點不滿或者焦慮不安。
我們在DESY實驗室的控制系統和控制室皆井然有序、組織緊密。每一條電線的兩個末端都清楚標上它的作用，電子設備亦如此。
控制區域裡嚴禁食物和飲料。各個極小的細節都要求非常嚴格，譬如規定在資料本做記錄時，應該如何寫1和7，以避免誤會。尤其規定如何避免在德國和非德國物理學家之間的溝通不暢。為了當機立斷、及時處理剛剛收集到的實驗資料，組裡買了一個簡單卻笨重、在當時比較先進的算術計算器，花費一萬美元（幾年後減少到一百元美元，到目前大概十塊美元的計算器都比它好）。凡事都經過仔細周密的計畫和專心策劃，以達到預期的研究目標。
在如此高度嚴格控制的環境下，我們研究一系列向量媒介子的特性，包括它們與光子的耦合常數（Coupling constant）以及它們互相之間的干擾角度。大家一致認為比爾是組裡最聰明、經驗最豐富、技術最熟練的，他負責資料收集系統及每天的操作和三組輪班名單的排定，儘管工作繁重，他始終親切溫和有耐心地對待組裡的研究員們。
尋找科學上的新發現，全世界的競爭十分激烈。相似的實驗在英國、康乃爾和史丹佛線性加速器（Stanford Linear Accelerator Collider，簡稱SLAC）也同時進行。丁教授常說：「在高能物理領域裡，沒有亞軍。」
並以此為座右銘。意思是只准成功，不准失敗。我們的每項研究計畫必須由兩位物理學家分開、並同時獨立進行，然後整個小組來對照比較結果，過程幾乎與法庭上的盤問相似。誠然，這劇烈的競爭也加諸在每個物理學家身上，大家都有無法形容的巨大壓力。
針對信號對噪音的比率，我提議改變目標靶，從碳改變為鋇，使信號對噪音的比率增加二倍，這一改進，明顯增進了資料的準確性。
丁肇中非常認同我對實驗組的貢獻。他屢次向我承諾：「只要你努力工作，一定會得到獎勵。只要你努力工作，不用自我宣傳，我一定會大力地幫你宣傳。你一定要相信我，我幫你宣傳比你自己宣傳更有效⋯⋯」如是云云。
〔註〕朝永振一郎（ともなが しんいちろう，1906~1979），日本理論物理學家，量子電動力學的奠基人之一。他也因為這項貢獻與美國物理學家理察．費曼及朱利安．施溫格共同獲得1965 年的諾貝爾物理學獎。
書 名∣《科學的人文：一位物理學家的人文之旅》
作 者｜陳敏
出版社｜商周出版
出版日｜ 2021 年1 月28 日
本書的題目是《科學的人文》， 而不是《科學與人文》，「科學與人文」的科學與人文是兩個平等的題目， 「科學的人文」是人文中適合科學的特殊部分。
本書收錄作者五十餘年來在美國求學、從事科學研究的科普散文，以及2014∼2019年間作者在美國麻省理工學院、中國浙江大學、電子科技大學與澳門大學、臺灣東海大學、清華大學等地演講的內容，記錄他以物理學家的科學專業背景推動人文教育紮根。
全書涵蓋作者的科學研究經歷，對中國哲學、詩詞與科學關係的研究與反思、旅遊雜文，完整記錄他一生遊走在科學與人文之間的所做所見所感所思。