今天我和各位所讨论的是基础科学和技术发展的关系。世界科学的发展，中国以前有着很重要的贡献。在科学史中，尤其在物理学、光和物质相互作用的最早的课题是公元前4世纪周朝《墨子》里就有详细的记载；在天文学方面，3300年前中国就有第一个超恒星的记载；在技术上，包括火药、指南针、造纸和印刷术。

可是，常常被人忘掉的这些基础研究是科学家出于对自然和宇宙的好奇心去不断的探索，而不是出于经济利益。我为什么说这个呢？等会儿大家就知道了。我所做的实验或课题就是最花钱、经济利益最低的。今天我要报告的主题是为什么要重视基础科学。首先我要向大家介绍这20年来，我与中国科学家合作的两个例子：寻找宇宙中最基本的粒子和寻找反物质所组成的宇宙。

寻找宇宙中最基本的粒子

在中国古代（哲学上）就常常谈到物质最基本的东西是什么？中国人早就认为，对最基本的东西有两种不同的看法：一种看法认为宇宙中最基本的东西是粒子，粒子是可以分开的；另外一种看法完全相反，认为最基本的东西是不能分开的。基本粒子的观念就是阴和阳两个。有阴和阳，大家就可以知道有天、地、雷、水等等。连续性的观念，则起源于春秋老子，在公元前600年左右。老子认为，最基本的东西是混模不清的。就是说，即使你做最大的加速器，也永远找不到最基本的东西是什么。

在西方，过去2000年里也有同样的发展。在2000年以前，西方的哲学家认为，土、气、水、火4种是宇宙中最基本的东西。到16世纪和17世纪左右，增加了硫磺、盐和水银变成7种。在1900年左右，有元素周期表的时候，大家都认为宇宙中最基本的东西就是化学元素，最开始的时候只有60几个，发展到现在好几百个。到了20世纪60年代，科学家认为最小的物质不是化学元素，而是原子核。但到了70年代的初期，人们观点又变了，认为宇宙中最基本的东西不是原子核，而是基本粒子。在70年代初期，经过实验物理的发现，包括我的一个实验，认为最基本的东西只有6个，叫作夸克和轻子。所以第一个观点就是说在物理学里面的真理是随着时间和人们的认识在变的。

我们现在认为，世界是由粒子组成的，一个叫夸克，有6个已经被发现了，U、D、S、C、B、T，也可以叫甲乙丙丁，你愿意叫什么就叫什么。最主要的有6个。同时，有轻子、电子、中微子，中微子是现在穿过大家每秒钟200个宇宙线，再一个就是τ，τ就是和电子一样只不过比电子重4000倍。

了解这些以后，就可以问下面的一些问题。第一个问题是为什么只有6个夸克，有没有第7个，有没有第8个？它有没有体积？夸克能不能分成更小的粒子？另外一个问题就是，到底有多少种电子？电子有没有半径？电子能不能分成更小的粒子？为了研究这些问题，在过去400年里有很多很多的加速器。最早的一个就是比萨斜塔，这是世界上最早的加速器。这个加速器还存在。比萨斜塔加速器对人类历史上作出的最重要贡献，就是伽利略证明万有引力。当时的加速器能量很低，是10^-4电子伏。1890年X光发现以后加速器的能量提高到10⁵电子伏。现在世界上最大的加速器——正负电子对撞机是10¹⁴电子伏。所以经过400年我们把能量增加了10¹⁸。在日内瓦，有世界上最大的加速器，周长27公里，一边在法国，一边在瑞士。加速器的半径或者说加速器的能量是随着月球的位置来变的。月球在上的时候，因为万有引力，27公里就缩小一点，能量就低一点。月亮走开的时候，能量就高一点，就跟涨潮和低潮是一样的。

假设，宇宙是由大爆炸产生的，那么借助实验室里这样的加速器就能制造宇宙刚开始时的1000亿分之一秒的情况。这就是加速器最简单的原理。大家都听说过宇宙是由大爆炸产生的。爆炸以前什么都没有，爆炸开始的时候温度很高，宇宙扩张，扩张经过150亿年以后就有了今天。所以在实验室里我们要制造宇宙刚开始时的情况，来研究当时最简单的物质是什么。

这是我的一个实验，这个加速器里总共有4个实验，另外3个是欧洲人所领导的，一个实验是我来负责。这个实验看起来非常复杂，正负电子对撞。有一层、二层、三层、四层不同的探测器，然后有一块磁铁，这块磁铁是16米×16米×16米，重一万吨。大家还记得上中学的时候你做个小线圈，把电流放在小线圈里，就产生一个磁场。这和对撞机的原理是一样的。探测器看起来是非常复杂的，因为里面有2000多个微处理机；但原理非常简单，就是这个仪器分成一、二、三、四层，不同的性质，一个电子留下这样的轨道，一个μ子留下这样的轨道，一个光子留下这样的轨道，普通的基本粒子留下这样的轨道。这样你就可以分析对撞以后产生的东西是什么。

《科学美国人》杂志封面曾介绍我们对撞以后用计算机记下来的实验结果。实验已经发表了300篇文章，这么厚一叠。这些文章可以用一张纸写下来，所有的结果就在这。所以大家都说物理学最主要是基本观念，基本观念都是非常简单的。目前的结论是，电子宇宙中间只有三种不同的：一个是电子，一个是μ，一个是τ，这三种电子都已经找到了。

电子是没有体积的，它的半径小于10^-17厘米。想一想，这是非常奇怪的事情，我们天天用电，提到电子存在，电子走过电线产生电流。所有日常生活都离不开电子，可是却始终不能知道电子的体积有多大。1964年，我开始做实验的时候，第一个实验就是找电子的体积，那个时候证明是小于10^-14厘米。经过了30年，降低了3个数量级，可是却无法知道它的半径是多大。夸克也是没有体积的，它的半径也小于10^-17厘米。

现在还有一个重要的问题，也是这个世纪高能加速器的重要目标之一，就是质量是怎么来的？为什么不同的基本粒子有不同的质量？为了这个，就要做更高能的加速器。

寻找反物质和暗物质

第二个实验就是在国际太空站里面找反物质和暗物质。国际太空站长100米，宽80米，重420吨，造价是1000亿美金。最主要来自于美国的宇航局，以及欧洲国家、日本和俄罗斯。我要和大家讨论的是利用太空站做AMS实验。

第一个问题是什么叫反物质？

反物质的存在，是英国科学家狄拉克提出的。他在1928年推出这个理论，1933年获诺贝尔奖。他注意到相对论的公式和量子力学的公式里面质量是呈平方的，平方就表示是质量乘质量，也是负质量乘负质量。他就问负质量是什么意思？由此，他就推测到反物质的存在。

大型正负电子对撞机环状隧道

狄拉克获诺贝尔奖并不是因为这个理论，最主要的原因是，从这个理论人家马上就找到电子有反电子，μ有反μ子，τ有反τ子，所有的基本粒子都有反粒子。而实验上证明，他的这个理论是对的。同时我们也知道，原子有反原子，原子核有反原子核，所以反物质的存在是无疑的。反物质在加速器里可以制造出来。我们所要问的不是这个，而是有没有反物质所组成的宇宙？为什么呢？我们都听说宇宙是大爆炸来的，爆炸以前什么都没有，爆炸以后才有物质。有负电子，一定有正电子，有夸克，一定有反夸克，要不然不会加起来一定等于零。所以刚爆炸的时候一定有同样多的反物质。问题是经过150亿年以后由反物质所组成的宇宙在什么地方？

我们实验的目标就是根据大爆炸理论，根据宇宙中物质与反物质数量应该一样多的推论来寻找，由反物质所组成的宇宙在什么地方？因为假使它存在的话，它就会发射出反的氦，反的碳，这些反物质穿过太空接近地球的时候我们应该能在太空中找到。由于物质和反物质在大气中互相湮没掉了，因此不可能在地面上探测到重的反原子，所以必须将探测器放在太空上。

实验的目的就是要知道，在有碳有氦的宇宙、星球系统中间，有没有反碳反氦。

另外一个问题，就是什么是暗物质？我们知道90%的宇宙（就是物质所组成的宇宙）是看不见的。因为看不见，我们叫它暗物质。我们为什么知道它存在呢？如果我们看一个银河系统，银河系统有一个轨道，这个轨道是向心力和离心力平行产生的，向心力是银河系统和所有物质的万有引力所引起的。从这你就知道，所有物质，应该是多少，所有物质比看见的物质多10倍。换句话说，这90%的物质我们知道存在但不知道它是什么。因为不知道是什么，所以叫它暗物质。暗物质也只能在太空上找到。

阿尔法磁谱仪主体结构图

这个实验是空间站上唯一的一个太空物理实验，有很多优秀的中国科学家参与了这个实验。当然，最主要的来自美国宇航局，因为这是空间站上唯一的一个实验，所以美国宇航局组织了一支很大的队伍，专门来帮助我解决做太空实验的各项问题，因为同时做空间站，同时做这个实验，有很多相互间的问题都得同时解决。

这次实验由航天飞机作了两次飞行。第一次飞行用了5700万美金，第二次飞行用了1.8亿。这也是美国和俄罗斯在空间唯一的合作。因为过去没有人把磁铁放在天上，不知道是怎么回事情，所有的技术都是新的。阿尔法磁谱仪第一次的飞行是在1998年6月，磁铁是在中国电工所做的，电子仪器由美国设计在台湾做，其余所有的仪器在欧洲做，然后运到肯尼迪发射场，6月2日送到天上去工作10天。

这个实验离地面400公里，以每小时27000公里的速度绕着地球转，我们发现了一个很重要的结果，在赤道上空有一个长4200公里绕着地球的一个质子加速器环，它的能量高达4000亿电子伏，这是根本不可想象的事情，离地面400公里有这么大的一个加速器。这是怎么来的？因为我们有一个很精密的仪器可以用来推算。我们知道整个地球磁场的分布，然后倒算过来就发现有个很高能的粒子打到大气上，然后产生另外一个粒子，飞行很长的时间，由AMS的测量数据可计算粒子从产生到被侦测的时间差，称为该粒子的生命期。

对质子来说，这个飞行时间分成两种：一种是短寿命的，只是0.2秒，就是说东半球产生，西半球结束，获得很少的数目；绝大多数粒子绕着地球飞行很长的时间，叫作长寿命，所以在赤道上这个地球质子环来源于长寿命的粒子，来自什么地方呢？那就更奇怪了。所有长寿命的粒子来自地球上三个地方，都在西半球。大家认为地球应该是平行的，东部、西部、南部、北部应该都是一样的，可是在赤道上有这么一个很大的加速器的质子环，所有的粒子产生于三个地方。这是一个很重要的结果。另一个结果也是很重要的，那就是地球是中性的，电子和反电子应该是一样多。我们发现在赤道上空，正电子比负电子多4倍，这也是不可想象的事情。

因此，美国宇航局计划2003年在空间站上把我们的实验放上去。

科学前沿将会发生什么无法推断

这个实验最主要的目标，我们知道90%的宇宙是观察不到的，它们是由暗物质组成，暗物质是什么？另外一个目的就是说，如果宇宙起源于大爆炸，一半的宇宙是由正物质组成的，一半是反物质组成的，反物质在什么地方？假使你要问我，你说这个实验有什么用处？所以我向大家举几个例子：如果你要一个物理学家对新发现的结果作出预言的话，你可以听到下面的回答：劳特 · 凯尔文认为X光是个骗局。劳特 · 凯尔文是谁？就是绝对温度的发现者。大概9岁上大学，19岁的时候就是剑桥大学的教授了。他为什么成为爵士，并不是因为他在物理方面有重要的贡献，是因为当时美国和英国要做经过大西洋的海底电缆，但屡屡失败，结果问题被他解决了，因此他拿了一个爵士；但他认为X光是一个骗局。

我再向各位介绍一下过去50年里加速器的发现史。世界上有很多很多的加速器。在50年代，最大的加速器在美国的长岛布鲁黑文国家实验室，原来的目标是作π和质子的相互作用，但在实验中所发现的两种中微子、时间反演破缺、发现第四种夸克都拿了诺贝尔奖。费米国家实验室原来的目标是中微子物理，结果却发现了第五种夸克和第六种夸克。世界上第一个质子对撞机原来是希望找中微子Z和W，结果发现质子对撞的可能性随着能量增加。德国汉堡第一个正负电子对撞机原计划寻找第六种夸克，结果发现的是胶子喷注现象。因此，可以说一个成功的加速器实验，它所发现的东西往往和原来的预想一点关系没有。

原因是什么呢？原因就是在科学的最前沿根本没办法推导将会发生什么。可是从长远来看，基础研究是非常重要的。在100年以前，我们所研究的是大小1米左右，比如说力学、热学、光学，到现在用在电、航天、导航上。到20世纪30年代，研究的是10-10厘米，就是原子物理，现在用在超导、激光、通信、计算机上。到了40年代，研究原子核是10-14厘米，现在用到不同的合金和能源上。随着时间的大距离和小距离则越来越小（同时是距离越来越大），最初是1011米，就是行星上，行星上就是现在用在太空站上，同时也跟着时间慢慢越变越大。

换句话说，基础研究像金字塔一样是从1米左右、人的大小出发，一方面是探测大尺度的目标包括行星、银河系统；另一方面探索微观世界，发现更小单元：原子、原子核，质子和夸克，既扩大了金字塔的基础，同时为新技术提供原理。从经典物理中我们知道了蒸汽机、照像机、电子工程、收音机、电视、飞机等；原子物理和量子力学发现了新材料、半导体、超导体，比方说晶体管、激光、计算机；原子能物理产生同位素、医学和能源利用。

我们可以注意到金字塔由于新的应用而在不断地增高，同时因为基础的研究却不断扩大它的底部，一方面是越走越小的距离，一方面是越走越大的基础，基础研究越来越走到金字塔最外面的角了，因此它离日常生活非常远而受到责难。所以只有经过一段时间以后，金字塔应用部分长高了，公众对新奇的奇怪的现象熟悉了，才看起来比较实际。

欧洲核子研究中心——L3实验室

我认为，没有理由认为金字塔不会继续扩大和增高。从发现那个新现象到市场化大概需要20—40年，这对工业家、实业家和西方政治家来说，这段时间可能是太长了。

但是，研究工作不是一帆风顺的，深入一个未知领域很难作出预言。失败是成功的一部分。因此，基础研究需要充分的自由空间和长期的展望。很多人认为，如果一个国家要想在技术和经济方面具有竞争力，必须集中于能立即有市场效益的实用技术的发展，并使经济继续发展。

我们常常听到是支持无用的基础科学还是集中支持技术的转化和应用科学。从过去历史来看，后面的观点是不对的。为什么？因为一个社会将自己局限于技术转化，显然经过一段时间以后基础研究没有新的发展、新的知识和新的现象，就没有什么可以转化的了。所以发展是深源于基础研究之中的。显然，基础研究需要大量的资源和长远的眼光，这对新世纪的挑战和政府的决策过程是非常重要的。因为国家在基础研究方面的投资在国民经济总值中的比例是一个国家在这方面努力的一个标志。

我们可以看到，如果没有基础研究和教育的投资，发展经济实用主义是不可以持久的，就像我刚才所说的金字塔。我给大家举的两个例子：一个是基本粒子研究，向更小的地方走；一个是空间站，向更大的地方走。不过，我猜想，我所做的东西可能没有经济效益。

所以，基础研究的原始动力是人的好奇心，学习新的事物和了解自然现象。基础研究是新技术和工业发展的原动力，所以基础研究是非常重要的。

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＊本文是诺贝尔物理奖获得者丁肇中今年初在北京的报告, 演讲稿选自《中国基础科学》2001年第5期, 本刊转载时作了部分删节加工, 文中小标题为本刊所加。