關於諾貝爾獎，有哪些不為人熟知的花邊故事？

我來講一個故事，雖然這個故事的最後，主人公沒有因此獲得諾貝爾獎。想聽他得獎的故事，可以移步 @海伯利安 的貼文

這個故事的主人公叫做丁肇中。丁先生曾說，他的職業生涯迄今為止有大概5個實驗比較重要。今天講的正是他的第一個重要的實驗，測量在短距離上驗證量子電動力學。相關工作發表在 Physics Review Letters, 18 , 65 (1967). 作者是，德國電子同步加速器 (DESY)的Asbury, Bertram, Joos, Rohde, Smith 和 美國哥倫比亞大學的Friedlander, Jordan以及我們的主人公丁肇中先生。實驗的目標是測量光子與碳靶反應，產生的廣角正負電子對 \gamma + C \to e^+ + e^- + C ，並與量子電動力學的理論預言相對比。

故事開始於1965年。

1965年10月，斯德哥爾摩皇家科學院宣布將當年的諾貝爾物理學獎頒給了眾望所歸的費曼、施溫格和朝永振一郎，以表彰他們在40年代末發展的量子電動力學(QED)。然而就在他們領獎的同時，哈佛大學Pipkin領導的團隊測量了廣角正負電子對，發現在 10^{-16} \text{m} 尺度上，實驗測量得到的結果與QED的預言相違背！[Blumenthal, Phys. Rev. 1966] 要知道，QED當時在電子反常磁矩和氫原子能譜(蘭姆位移)中已經得到了相當高精度的檢驗。然而，這些檢驗都是低能標下的檢驗，在更高能量下QED是否仍然成立其實只是理論學家想當然的事情。

這件事情的嚴重程度不應該被低估，因為每一代物理學革命都是建立在顛覆舊的理論體系之上，而顛覆的源頭，往往正是高精度實驗測量中的偏離。比如QED的確立正是由於實驗測量得到的電子磁矩比狄拉克理論預言的小千分之二。更加嚴重的是，當時理論物理在以QED為模版的量子場論的基礎上已經走的很遠了。1967年，也就是2年以後，拜因貝魯克就會寫下他有名的輕子模型 (A model of leptons)，從而統一電弱交互作用，構建出粒子物理標準模型的宏偉大廈！這一大廈屹立至今，仍然與拜因貝魯克等人1960年代末的構建絲毫不差。很難想象如果QED被證明在短距離上是錯誤的，將對於理論物理的發展有何影響 ^[1] 。

理論學家會不會像劉慈欣的【三體】裏描述的那樣，瘋了？大機率不會，並且恰恰相反 —— 年輕一代的理論學家早已磨刀霍霍，新的理論、奇思妙想像洪流一樣噴湧而出 —— 外爾-楊振寧的規範原理可能是錯的？電子不是個點粒子？電子有激發態？新的粒子？新的效應？新的反應過程？ …… 誰不想把剛剛封神的費曼、施溫格挑下神壇，自己登堂入室？ 對前輩最大的尊重就是證明他們是錯的，科學上沒有絕對的真理，成為絕對的真理意味著成為絕對的笑話。 盡管如此，對於剛剛獲獎的費曼、施溫格來說這顯然不是個動聽的訊息。但費曼們還有希望，那就是康奈爾。康奈爾是費曼結束曼哈頓計劃以後第一個任職的地方，也正是在這裏他提出了有名的費曼圖，並利用重整化解決了蘭姆位移問題。康奈爾是費曼的福地。更重要的是，康奈爾有當時世界上僅有的兩台能量能達到GeV的電子加速器之一，2.2 GeV Cornell Electron Synchrotron。費曼和其他理論學家希望康奈爾實驗能夠否定哈佛的結果。

終於，在萬眾矚目之下康奈爾大學實驗測量的結果出來了，支持Pipkin的實驗測量！[Eisenhandler, Bull. Am. Phys. Soc. 1966] 量子電動力學被違背似乎成了板上釘釘的事，一時間物理學界滿城風雨，或者說青年理論物理學家們沸騰了，自己的時代要到了，斯德哥爾摩近在咫尺。

丁先生對這個實驗也非常感興趣。但他的興趣來源於實驗學家的敏銳，盡管那年他剛剛畢業沒多久，是哥倫比亞大學的一個講師。與那些天馬行空的理論構想不同，丁先生仍然對量子電動力學充滿信心。這份信心的來源是他不久前與哥倫比亞大學理論學家Brodsky所做的研究工作 —— 這是丁先生唯一的一篇理論文章 [Brodsky & Ting, Phys. Rev. 1966]。在文章中，丁先生和Brodsky研究了光生正負電子對反應 \gamma + e^- \to e^+ + e^- + e^- 。這一過程與Pipkin的測量非常類似，唯一的不同是靶，丁與Brodsky用的是電子。對於這一物理過程的熟稔，加上丁先生對實驗測量的敏感，使得他對與Pipkin實驗結果有了不同的看法。

丁先生認為實驗結果可能是收到了pi介子的汙染。pi介子是一種很輕的帶電粒子，會衰變成電子和隱身的微中子。在實驗條件下，pi介子產生的數目可能會高達正負電子對的1000倍，因此如果實驗設計不仔細的話，正負電子的訊號很容易受到pi的汙染。在這種情況下，去除pi介子的影響成為決定實驗成功與否的重要因素之一。透過仔細分析，丁先生認為必須要重新設計實驗。當然新的實驗離不開加速器。想到這一步，丁先生立即驅車從紐約前往劍橋，這裏有當時世界上最先進的劍橋電子加速器(CEA)。CEA是有哈佛與MIT聯合出資籌建並管理的，執行費用則由美國原子能委員會資助。1962年CEA投入使用，輸出電子束能量高達7GeV，這是當時世界上能量最高的電子加速器。Pipkin是CEA上實驗物理的負責人，他的研究小組就是使用這台加速器來檢驗QED的。

丁先生當時籍籍無名，他知道自己首先需要去拜山頭。Pipkin教授很有禮貌地接待了丁先生，不過也很快讓丁先生明白過來，物理學界是一個等級森嚴的社會，你一個無名小輩，既沒有錢，也沒有人，還從來沒做過電子散射實驗，憑什麽敢來跟我這個大教授叫板。丁先生回憶道，

Pipkin說的足夠清楚，丁先生不可能在CEA上做這個實驗。大佬的拒絕後果其實很嚴重。當時世界上僅有3台能量能夠達到GeV的電子加速器，一台是7GeV的CEA，另外一台康奈爾的2.2GeV電子同步加速器，第三台是加州理工的電子同步加速器，能量更低，僅為1.2GeV ^[2] 。康奈爾已經在做驗證實驗了，實驗設計與哈佛的實驗類似，並且康奈爾與加州理工的電子加速器能量遠比不上哈佛的CEA。而史丹佛大學的直線電子加速器還是一片工地。沒有機器就不可能有資助更不會有實驗。因此實際上，大佬並非在陳述事實，而是在宣布一個決定：這一領域沒有你的位置。

丁先生怒了。

其實可以想象。假如我是個某友邦來的留學生，留在石家莊大學任講師，某天開車到清華找到某炙手可熱的某院士說，你的實驗做錯了，我來設計個實驗在世界上最先進的儀器上重新做一下吧，對了我以前從來沒做過類似的實驗。院士會是什麽反應？他會封殺我嗎？絕對不會 —— 我估計連院士人都見不到。人類憤怒的本質源於自己無能為力。只有聰明的人會將這種憤怒轉化為動力，去克服困難，去征服世界。

大佬對青椒的事業具有生殺予奪的權力，不幸的是Pipkin犯了一個美國人常犯的錯誤，美國不等於全世界。丁先生馬上聯系了自己歐洲核子中心CERN的朋友。當然CERN也是美國大佬把持，並且CERN也不是電子加速器，情況不比美國情況更好。不過，丁先生打探到了一個重要的訊息，德國在漢堡剛剛興建了一個電子加速器(DESY)，設計能量為6 GeV。DESY 1964年開始正式開始執行，正在急需科學計畫。

德國人對加速器的興趣並不令人感到意外。二戰期間，德國即在海森堡的領導下從事核武器研究。二戰以後，盡管德國成為了和平國家（禁核國家），但德國學界和政界高層清楚地明白高能物理的重要性。而這些要掌握這些科學與技術，不能跟在其他國家後面撿現成的。在三體中，劉慈欣提出，科學技術的發展並非是平穩的，而是爆炸式的，而且這種發展是隨機的，不可預測的。如果不竭力發展科學技術，一旦其他先進國家實作技術爆炸式突破，在他們面前很可能會像蟲子在人面前一樣不堪一擊。而且由於這種科技發展的不確定性，必須要在國力允許的情況下持續投入。這就是為什麽德國一旦從二戰中恢復過來，便開始大力投入基礎科學的研究。漢堡大學開出天價從美國挖來核物理學家Willibald Jentschke。當時給予他的啟動經費約合今天的兩千五百萬歐元。Jentschke決定用這筆錢來建一個高能物理實驗室，從而全德國的大學和研究所都可以使用。這個主意很快的到了漢堡市政府和聯邦政府的支持。就這樣，1964年，漢堡大學不聲不響建成了當時世界上最先進的電子加速器DESY。

丁先生直接找到實驗室主任Jentschke，聽明白丁先生的實驗設想之後，Jentschke立馬拍板決定統一，並提供經費、人員和儀器支持。丁先生這邊也很快拉起了一支年輕人為主的團隊。他把憋著的一肚子勁兒用在了實驗上。透過丁先生的精心設計，pi的汙染被降到了1%以下！為了進一步降低誤差，丁先生還找來理論學家Brodsky仔細考慮了放射線修正，大大提高了理論和實驗雙方的精度。經過一年的進展工作，1966年測量結果出來了，跟QED的預言完全一致！丁先生和Jentschke決定在同行面前宣布這一結果。

1966年9月第13屆高能物理國際大會在柏克萊召開。該會議起源於50年代初的羅切斯特會議，60年代以來，逐漸固定下來，兩年舉辦一次。自兩年前在杜伯納召開以來，高能物理學界又積累了很多興奮的結果有待討論。其中之一，便是對QED的檢驗。哈佛和康奈爾的研究小組都受邀介紹他們的實驗，但丁先生和DESY組不在受邀之列。甚至，當丁先生找到會議組織者，想報告DESY的測量結果時，實驗組織方都不知道有這樣一個實驗的存在。在DESY主任Jentschke和丁先生一再堅持下，會議組織者說，這樣吧，哈佛和康奈爾報告結束後，給你們10分鐘介紹一下自己的實驗。在這10分鐘內，丁先生首先介紹了自己的實驗設計，然後把絕大多數時間用來介紹如何確定粒子軌跡，如何測量動量、能量，如何匹配能動量，如何交叉驗證實驗結果。最後，丁先生拿出了展示實驗結果的圖。

圖上的點精確地散落在一條水平線上，那是費曼等人提出的量子電動力學的預言。費曼、拉比等理論大咖就坐在觀眾席裏。此前一年，費曼剛剛因為量子電動力學獲得了諾貝爾物理獎，但這一年，他卻是在哈佛和康奈爾的實驗的陰影下度過的，直到一年以後，丁肇中先生一戰成名，拯救了費曼。同時成名的還包括德國人的DESY。

1967年初，丁先生的論文發表在Physical Review Letters上 [Asbury, Phys. Rev. Lett. 1967]。同年3月，PRL發表了康奈爾大學的正式測量結果 [Eisenhandler, Phys. Rev. Lett. 1967]。測量包含兩組數據。康奈爾研究小組認為，之前數據與哈佛結果吻合純屬統計漲落，而最終結果在誤差範圍內與丁先生測量的結果一致。至此，丁先生大獲全勝，挽救了量子電動力學。

參考

1. ^ 最起碼，用於處理短距離物理的重整化可能不再需要，或者僅僅淪為一種用於偷懶的數學技巧。
2. ^ 1965年，Pipkin實驗完成前夕，CEA發生了一場大霹靂，使得CEA停止執行了兩年。1966年，史丹佛直線加速器開始執行，能量高達50GeV，這是高能物理歷史上最重要的工具之一。