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【人民画报】叶铭汉:用“大机器”探索“小宇宙”
2014-04-03|文章来源:人民画报社 李舒亚 |【
 

  如何造出能量更高、探测更精准的粒子加速器和探测器,以探索物质微观的小宇宙内部更深层的奥秘,这永远是粒子物理学的前沿课题,也是中国工程院院士、实验核物理学家叶铭汉毕生致力的工作。 

  穿着白衬衫、黑夹克、灰呢长裤,满头银发,很瘦,总是温和地笑着。在两个小时的专访中,修养极佳、思维敏锐是他留给在场每一个人的共同印象。 

  他叫叶铭汉,89岁,中国工程院院士,现任中国高等科学技术中心学术主任、中国科学院高能物理研究所(下称中科院高能所)研究员,曾任中科院高能所所长、中国高能物理学会理事长等职。 

  专访在位于北京中关村东路的中国高等科学技术中心进行。他娓娓讲述起如何辗转步入原子核物理领域,如何参加中国最早的粒子加速器研制,如何主持标志中国高能物理实验跃居国际先进水平的北京谱仪和北京正负电子对撞机的研制……讲述时,既无得意之情,也无过分谦虚之辞,他只是平静地谈论往昔,特别是那些有趣的工作。他说:物理很奇妙,可以追究事情是如何发生的。 

  找到自己的道路 

  横跨瑞士和法国边境、深埋地下100米、长达27公里的欧洲大型强子对撞机,是目前地球上最大的机器。功率达到最大时,数以万万计的粒子在加速器环内以每秒近30万公里的速度急速穿行,相当于光速的99.9999991% 

  用世界最大的机器,研究最微观的粒子,探索宇宙的奥秘,这是粒子物理学家们所做的工作。 

  叶铭汉觉得,这工作很有趣,也很适合自己。而当年他却是经过一番波折才逐渐找到了这条道路。叶铭汉1925年出生在上海一个知识分子家庭。其祖父是前清举人,父亲曾任上海市南市区电话局局长,家境小康。但叶铭汉自幼体弱多病,性格内向,不擅运动,小学成绩属中下水平,唯独喜欢翻家里的书,乱看一气。直到初二时,他因在一次作业中表现出色意外受到老师表扬,不知不觉对念书专心起来,期末考了全班第一。 

  1942年,叶铭汉受叔父叶企孙之邀,前往重庆继续学业,以免受上海战事的牵累。两年后,他同时考取中央大学、西南联大和上海医学院,出于学工容易有饭碗的简单考虑,最终选择了西南联大土木系学水利。 

  当时,他的叔父叶企孙也在西南联大执教。叶企孙被誉为中国近代物理学的奠基人之一,是早年清华学堂的首批学生,后留学美国芝加哥大学和哈佛大学,获博士学位,回国后曾任清华大学物理系主任、理学院院长。杨振宁、李政道、王淦昌、赵九章、钱伟长、钱三强、王大珩、朱光亚、周光召、邓稼先等赫赫有名的物理学家都曾是他的学生,因而有人称他是大师的大师。叶铭汉自幼对叔父崇敬有加,视其为人生楷模,他中学的学费亦均由叔父资助。不过,叶铭汉说,对他的学业和人生抉择,叔父从不干涉。 

  进入大学后不久,时值日军疯狂进攻中国西南部,爱国心切的叶铭汉于19451月在校加入青年远征军抗日。他随军坐飞机到了印度,被编入汽车兵团。其时战争已近尾声,他并未真上战场,只是参加了一段汽车驾驶训练,抗战胜利前和战友们开着美国吉普回到国内,抗战胜利后不久便返校复学。 

  然而,这段特殊经历却意外改变了叶铭汉的人生轨迹。因在青年军交的一些好友是物理系学生,受他们影响,叶铭汉对物理产生兴趣。一年后,西南联大停办,清华、北大、南开分别迁回原址,叶铭汉通过转系考核,如愿转入叔父主持的清华物理系学习。他自言未受到叔父特别荫庇,回京后也未住过叔父在清华园的寓所——雅致的北院7号。他回忆说:叔父做人很严谨,做事公事公办。我也向他学习。 

  后来,叶铭汉一度萌生再次转系、改学气象学的念头,因他发现自己对部分课程很有兴致,但对一些纯理论内容却兴趣较缺。大三学年末,后被称作中国原子能科学事业创始人的钱三强回国,在清华作了一场关于原子核物理的学术报告,促使叶铭汉最终决定继续留在物理系。有实验事实才能发展理论。我觉得实验很适合我,我比较合适搞一些不是太玄的东西。他微笑着说。 

  中国最早的粒子加速器 

  叶铭汉在青年时代就有机会在多位名师身边学习工作,这让不少人羡慕不已。 

  1949年,本科毕业后,叶铭汉考取清华大学硕士研究生,导师就是钱三强。叶铭汉一心想从事原子核物理的研究,在量子物理等相关课程中表现优异,导师钱三强称赞他是同学中学得最好的,并给他看一本从国外带回来的关于回旋加速器的参考书。 

  回旋加速器是粒子加速器的一种。继1897年发现原子由原子核和电子构成,1932年发现原子核由质子和中子构成之后,科学家们又陆续发现众多比质子和中子更小、更基本的粒子,于是形成了粒子物理学(又称高能物理学)。要研究这些微观粒子,人类无法像使用显微镜观察细胞那样直接进行观察,只能通过粒子加速器,将这些微小粒子加速到接近光速的高速,通过打靶或轰击,改变其状态,进而分析和了解微观物质的组成和运动规律。 

  钱先生回来是有打算的,就是要在中国开展核物理实验。叶铭汉回忆说。核物理实验是人类认识微观世界的手段,也是现代科技进一步发展的必要条件。中国要缩小与西方的科技差距,需尽快开展核物理实验。粒子加速器是其中重要的实验装置,1949年,叶铭汉即在导师钱三强的指导下开展相关的调研工作。 

  一年后,限于当时的条件和政策,粒子加速器只能在中科院建造,叶铭汉遂受导师之命转到中科院近代物理研究所,在王淦昌、萧健领导的宇宙线研究组工作。不久后,人类历史上首次观测到正电子、后被称为中国原子能之父的核物理学家赵忠尧冲破重重阻拦回到祖国,在近代物理所创建静电加速器组,叶铭汉受调参加中国第一台粒子加速器——质子静电加速器的研制。 

  当时,国内的核物理基础近乎空白,科研条件简陋,经费也很有限。赵忠尧设计了静电加速器的总体方案,将不同部件的具体任务分配给研究组成员。叶铭汉被安排负责主要部件之一离子源的研制。他回忆说,当时,国内物资匮乏,核物理实验器材更是奇缺,他们形容当时的工作为要吃面包,先种麦子,从研制一些基础设备开始。赵忠尧回国时带回一批在美国费尽心思采购的静电加速器部件和核物理实验器材,对推动中国核物理的发展起到了重要作用。 

  虽然条件艰苦,工作紧张,但叶铭汉感到那时每天在学习进步,心情很愉悦。1953年,中国第一台700千电子伏静电加速器建成。叶铭汉介绍,这台静电加速器的能量很低,进行的科学研究不多,后转到大学里用于学生实验。但它标志着中国的粒子加速器成功迈出了第一步,摸索了技术,培养了人才。他说,我们从未研制过这个,一些现在看来很简单的东西,当时花了不少时间。但它让我有了一种信心,别人能做到的事,不管多困难,只要我们认真努力去做,最终一定可以克服困难,一定能够做到。 

  跳上飞驰的特快列车 

  1957年,叶铭汉参加中国第二台静电加速器的研制,其能量于1959年成功达到设计值2.5兆伏,比第一台增加300余倍。建成后,叶铭汉作为静电加速组副组长负责其运行和改进工作,后率先研制和发展多种粒子探测器,开展了中国第一批低能核物理实验,并于20世纪60年代初做出了国际水平的成果,测出一条国际上从未在实验中测出的Mg原子核(24Mg)新能级。 

  发现新能级当然很高兴,其实是个很小的工作,它的意义是标志着我们的技术达到了一定水平。叶铭汉说,当时国外进展也很快,已发展出串联静电加速器,能量达到千万伏。很明显,我们刚入门,与国际差距还很大。但我们看到了希望,发展不是遥遥无期。 

  就在叶铭汉怀抱希望,准备与同事们快马加鞭赶上国际水平时,他却懊恼地发现自己的境况每况愈下1964年,国家原本批了1000万元研制串联静电加速器的项目被停,叶铭汉被安排下乡参加社会主义教育运动。不久后,文革开始,他又成了反革命分子,是重点批判对象。叔父叶企孙更被揪斗、抄家、关押。叶铭汉一度想到自杀,所幸后来看开。后于1969年被下放湖北潜江五七干校,他每天干完活就偷偷看书,心情渐渐舒畅。 

  1972年,各地干校陆续解散,叶铭汉回京投入静电加速器的应用研究。次年,中科院高能物理研究所成立,叶铭汉被调至高能所物理一室任大组长,陆续开展了多丝正比室、漂移室、闪烁计数器、重粒子磁谱仪等高能物理实验常用的粒子探测器的研制,并在国内首先实现多丝正比室计算机在线数据获取。 

  1978年,全国科技大会召开,科学的春天到来。建造一台中国的高能加速器,被明确列入国家自然科学发展规划。然而,历经十年文革后,中国的基础科研举步维艰,与国际先进水平的差距愈来愈大。此时,中国的高能加速器发展该走哪条道路,是先建一台技术十拿九稳的质子加速器,还是将目光直接瞄准此时国际上更为先进、但国内基础一片空白的正负电子对撞机?各方意见莫衷一是。 

  叶铭汉介绍,早期的粒子加速器都是用高能粒子束轰击静止靶,就像用手枪打固定靶。而对撞机是两个高能粒子束相向撞击,相当于用子弹打子弹,它是更有效产生高能反应的实验方法,但无疑技术更复杂,标准更严苛,研制难度更大。 

  第一,我们资金有限;第二,质子加速器在国际上已不具竞争力,而对撞机则可以做国际前沿的工作。叶铭汉赞成对撞机的方案,这也是国家最终确定的方案。他回忆说:有人说,我们好比站在月台上,想跳上一列飞驰而来的特快列车。如果跳上了,从此走在世界前列,否则将粉身碎骨。 

  为帮助中国早日建成对撞机,美籍华裔物理学家、诺贝尔物理学奖得主李政道专门设立了一个访问学者项目,让中国学者可进入美国最尖端的高能物理实验室工作。叶铭汉因该项目于1979年底到普林斯顿大学做访问学者,1981年又到犹他大学做访问教授。在美国边工作边学习,他切实感受到中美之间的差距,但也更确信:只要条件允许,我们一样也能做到。 

  1982年,叶铭汉回国担任高能所物理一室主任,全面负责北京正负电子对撞机的眼睛”——大型粒子探测器北京谱仪的研制;1984年升任高能所所长,领导全所建设北京正负电子对撞机。 

  叶铭汉称,北京正负电子对撞机赶上了天时地利人和天时是改革开放,包括达成中美高能物理合作协议,使一些国内当时无法生产的材料可在美国购买,一些研制中的问题可与美国专家讨论。地利是研究所设在北京,国家又对该项目大力支持,经费、物资等均优先照顾。人和是当时有一批高水平人才,大家不计名利、团结一心地忘我工作。 

  19881016日,北京正负电子对撞机首次实现正负电子束对撞,中国终于拥有了最先进的研究物质微观世界的武器,被称作中国继原子弹和氢弹爆炸成功、人造卫星上天之后,在高科技领域又一重大突破性成就1990年,北京正负电子对撞机与北京谱仪获国家科技进步特等奖。 

  一辈子都要学习 

  叶铭汉生性内敛,从未有过定要做出何等成就之类的雄心。在教育子女时,与许多望子成龙的家长不同,他对孩子直言不必争取第一,理由是:总想争第一,太计较分数了,可能反而学不好,只要尽自己的努力就可以了。 

  在科研方面,叶铭汉受钱三强、赵忠尧等恩师影响最大的是,解决问题要服从科学的方法,要严谨;还要积极发动大家的力量。无论当大组长、室主任还是所长,他都坚持尽量放权,不瞎指挥,遇到难以决定的事,则由他来作决定和负责任,让大家放心做 

  叶铭汉于1995年当选中国工程院院士,1996年后担任中国高等科学技术中心学术主任。至今,他仍在坚持工作,最关心的还是中国粒子物理的发展。他说,作为一门以实验为基础的学科,粒子物理的发展史是实验与理论不断相互促进的历史,也是人类对物质世界认识不断深化的历史。它看似离人们的生活较远,但物质微观结构的研究是各学科研究的基础,激光、通信、新材料、生物、医学、农业等学科的许多新技术都由原子物理学的成果转化而来。例如万维网,最早就诞生于高能物理领域。 

  中国必须在世界高科技领域占有一席之地。这是邓小平当年参观北京正负电子对撞机时所说的话。叶铭汉说,如今这一席之地已稳稳占住。北京正负电子对撞机自建成运行以来,已取得一系列国际先进水平的成果,并经过一系列改造,其亮度又比从前提高近百倍,是国际最先进的对撞机之一。他还指出,目前,世界规模最大的粒子物理研究机构是欧洲核子研究中心,未来中国的粒子物理如何发展,是否要建一个类似规模的中心,以及如何合理改进基础研究的评审方法和管理体制等,是中国物理学界当前需考虑的问题。 

  人一辈子都要学习。技术发展很快,问题摆在面前,新东西、新发现会不断出现。叶铭汉告诉记者,最近,我刚买了一个智能手机玩玩,打算用一下微信。不过,我不喜欢一天到晚总看手机,因为我工作时不希望总被打扰。 

  (原文链接:http://www.chinapictorial.com.cn/ch/se/txt/2014-04/02/content_611481.htm


 
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