正传：38.J粒子
1948年，费曼、施温格、朝永振一郎在计算量子电动力学的时候，有一个重要的假设。那就是电子是没有体积的。但是这个假设遭到了挑战。60年代初期，哈佛大学有一个组，这个组的主持人叫弗兰克，是很有名的科学家。他做了一个实验，测量电子半径，发现电子是有半径的，是10^-13厘米到10^-14厘米之间。没多久，康奈尔大学有一个很有名的队伍也发现同样的结果。两个不同的实验得到同样的结果。这可要麻烦，这部要挖量子电动力学的老根儿嘛！
一个年轻人来到了德国。他原本在美国刚刚读了个博士学位。正好拿到福特基金会的奖学金。他就来到了欧洲核子研究组织工作。他就想是不是能再次测量电子的半径。在瑞士日内瓦。他显得形单影只，想搞这个实验的就他一个人。他决定是不是问问美国同行，看看能不能得到啥帮助。美国人说，来我们这里搞可以啊。丑话说在前头，没钱啊！因为你从来没有做过实验，别人也不了解你。不能提供经费支持。他又去问德国人。德国人说，行啊，你来吧，我们给钱。而且德国当时的加速器还很大。这个年轻人去了德国汉堡的德国电子同步加速器实验室。
他叫丁肇中。原籍山东日照。他父母去美国讲学的时候意外早产了，生下了丁肇中。因此丁肇中是意外获得了美国的入籍资格的。长大以后，他在美国求学。博士毕业以后到了欧洲。他的第一个重要的实验就是这个测量电子半径的实验。丁肇中讲的这个测量半径。怎么测呢？有办法。一个不规则的图形，我们该怎么去测量它的面积呢。如果毛估一下的话。可以均匀的撒上一堆的小豆子。看看落在图形里面的有多少。落在外面的有多少。两下对比，就把比例给算出来了。那么就可以大致算一算不规则图形的大小。测量质子中子的半径，那可以照方抓药啊。
我们测量质子之类的核子的大小。通常都是拿电子当做炮弹去轰击质子。一顿轰，然后看看啥都没碰上的有多少。被弹出来的有多少。那么计算一下概率，就可以毛估一下粒子的直径。当年发现原子核，不就用这个办法嘛！但是电子太小了。你不能拿别的粒子来轰击电子啊。必须另外想一个办法。那么就只能还是拿电子去轰击别人。看看电子如何被反弹出来。也可以反推电子直径。
丁肇中去了德国，在德国干了8个月，终于给干出来了。在20GeV下，测的电子半径小于10^-15cm，而在60Gev下，测得电子半径要小于10^-16cm。反正能量越大，测量的数值就越小。你也可以理解为越准确。按照丁肇中自己的讲法。是找不到电子的半径。可是我们知道，电子是有个“经典半径”的。那是根据经典力学和相对论计算出来的半径。与量子力学关系不大。
我们宏观世界里面，啥东西都是有明确边界的。摸摸桌子椅子，都是硬邦邦的。答案是在微观世界则不是这样的。我们触摸道德所有感受，都是电磁力在起作用。电磁力是按照平方反比规律在衰减。你找不到一个明确的边界来划分电子的半径到底在哪里。丁肇中用实验的办法确定了电子最起码不会比10^-16厘米要大。甚至还要小得多。更重要的是，现在的理论认为，电子啦夸克啦都是没有结构的，不可再分，是个基本粒子。如果可再分，那么毕定有内部结构。质子、中子是有内部结构的。因此他们是有半径可言的。这个半径也就是内部的基本粒子相互作用的范围。
有了这个实验结果，量子电动力学算是稳住了阵脚。这是丁肇中第一次崭露头角，就显示出了他在实验物理方面的锋芒。他后来讲述这段历程的时候。提到了他的感想：不要盲从专家的结论。我没有做实验以前，都是世界级的专家在做这个实验。当然啦，我们现在心灵鸡汤已经够多的了。听这些话，也已经审美疲劳了。但是真要做到，那可很难很难。
第二次丁肇中大显身手。困难可就大多了。当时已经提出了夸克理论。大家都知道，现在有三种夸克。上夸克、下夸克、奇异夸克。物理学界普遍认为奇异夸克应该还有个伙伴儿，这都是一对一对的好基友啊，不能缺啊。他们起名字叫”粲夸克“。不过这个粲夸克不太好找啊。夸克只存在于强子内部，外边没有，你只有把强子给撞开，你才能看到这些基本粒子。布鲁克海文国家实验室，还有斯坦福的加速器。都在寻求高能量级别的实验。实验检测与设备也必须有很高的灵敏度。否则那些稍纵即逝的微小粒子是没法子被发现的。
实验的过程是相当艰难的。他后来回忆。1972年美国布鲁克海文国家实验室接受了他们的实验请求。为了能从100亿个已知粒子中找到一个新的粒子，这个实验：
必须每秒钟输入100亿高能量的质子到探测器上，在这么多的质子输入探测器所产生的放射线会彻底破坏探测器，对工作人员也是非常危险的。
因此必须发展全新的、非常精确的、在非常高的放射线下能正常工作的全部仪器
必须设计安全的屏蔽系统。5吨的U238，100吨铅，5吨肥皂。
肥皂是个非常特别的实验器材。没听说过实验需要肥皂的，丁肇中就用到了。主要是防止中子辐射的。
这种大海捞针一样的实验周期不断。人员也不少。一干就是两年。他们发现了一个寿命特别长的粒子。比别的粒子寿命长10000倍。这种新粒子的发现，证明了宇宙中有新的物质存在，它们是由新的夸克组成的，丁肇中把它命名为J粒子。有人说丁肇中的姓氏是”丁“。这个大写的”J“长得很像”丁“。你要这么说呢，也不能说错，的确长得像。但是人家当初不是这么想的。当时看到前一个字母K已经用过人，有K介子。而且J可以代表很多的物理含义，比如电流、光。这是个很不错的选择。
就在丁肇中他们宣称发现新粒子的同一天。远在加州那边的斯坦福极速器也传来好消息。李克特他们声称发现了了一种ψ（浦西）介子。两边的团队都吓了一跳，这也太巧了吧。两边的人一沟通。你们发现的这个粒子是啥特性啊？怎么怎么样的数据。两边最后傻眼了，这分明就是同一种粒子嘛。但是叫谁的名字比较好呢？大家觉得随便叫哪边的名字都对另外一方不公平。因此最后叫做”J/ψ 粒子“。两个名字混着来。不过我们中国人肯定喜欢叫”J粒子“嘛。
J粒子的存在，跟粲夸克是有直接关系的。基本上也就抓到了粲夸克。但是两个团队都并不是本着粲夸克来的。都是大海捞针一样碰上了。后来丁肇中和李克特分享了1976年的诺贝尔物理学奖。还有美国政府的劳伦斯奖。
可贵的是，丁肇中在获得诺贝尔奖的领奖台上，用的是中文发言。这是第一次中文出现在了诺贝尔颁奖现场。他说得到诺贝尔奖，是一个科学家最大的荣誉。他是在旧中国长大的，因此想借这个机会向青年们强调实验工作的重要性。中国有一句古话：劳心者治人，劳力者治于人。这种落后的思想，对在发展中国家的青年们有很大的害处，由于这种思想，很多发展中国家的学生们都偏向于理论的研究，而避免实验工作。
后来丁肇中在回忆这一段的工作的时候，他也很感慨。要对自己有信心，做你认为正确的事，不要惧怕困难，不要因为大多数人的反对而改变。同时，决策机构要给优秀的年轻人机会。
丁肇中在实验物理学家之中，那是犹如神一般的人物。他参与的大型实验，就没有失败的。所以在美国，他说话还是有分量的。70年代末，我国开始打开国门与世界接触。由唐孝威带队。我国的一个科学家小组来到了德国电子同步加速器实验室。参加了丁肇中的MARK－J实验。就是最先丁肇中搞电子半径的那个实验室。这个实验室还在找电子半径。看看能不能搞得更加精确。丁肇中的实验团队是好多国家的科学家共同组成的。在实验过程中发现了胶子。我们以前讲过，电磁力是交换虚光子产生的。因为光子是寿命长。跑的远也没关系。因此电磁力作用距离很远。但是原子核里面的强力就不一样了。夸克间的作用力，就是靠传递胶子来完成的。胶子、介子这种普遍寿命都短。因此跑不了多远就不行了。因此强力是个短程力，范围很小。
现在一个奇怪的问题又摆在面前了。一个质子是是三个夸克组成的。夸克之间靠胶子的传递，把大家黏在一起。可是这三种夸克很轻，胶子根本没有质量。加起来离质子的质量差的的远呢。加上希格斯机制产生的质量，也是微乎其微。剩下95%的质量跑哪去了？答案是能量！剩下的质量其实是由蕴含的能量表现出来的。最近科学家们用超级计算机模拟了质子、中子、原子核里面的状况。夸克和胶子的移动与相互作用是质量的大部分来源。从侧面验证了爱因斯坦的质能方程的正确性。时间已经过去100多年了。过去，用量子色动力学来诠释质能方程总是遇到困难。现在这事儿总算是搞定了。
后来我国的科学家还参加了欧洲核子研究组织的L3工作。这个加速器轨道长27公里。能量高达1300亿电子伏特。目标是模拟宇宙大爆炸的状况。太阳表面4000亿倍的温度，也是宇宙诞生最初的1000亿亿分之一秒时的温度。用的磁铁是1万吨，探测器包括300吨铀，均来自苏联。丁肇中是总负责人。这项由14个国家的460多位物理学家和600多位工程技术人员参加的实验, 共有４个巨型探测器, 这些探测器不仅物理设计构思复杂新颖, 而且所需的原材料都没有成品．为确保实验成功, 丁肇中从领导科技人员研制探测器开始, 便年复一年地在世界各地奔波。
探测器设计出来以后, 丁肇中和他的合作者们首先遇到的问题是: 大量的错酸铋晶体从哪里来? 当丁肇中了解到前苏联有氧化锗, 中国有氧化铋, 上海硅酸盐研究所有可能研制出大量BGO（锗酸铋）晶体时, 他当即飞往前苏联带上氧化锗, 再飞到上海, 直到帮助硅酸盐所研制出大量合格的BGO 晶体为止。又如L3实验用的u子探测器, 它的主要部件是在美国的波士顿制造, 激光校正系统在瑞士制造, 强子量能器则由前苏联、中国和美国科学家共同设计．在它们研制过程中, 丁肇中也倾注了大量心血。
L3实验共发表了271篇文章，有300人获博士学位。实验结果可以用三句话来表达：
宇宙中只有三种不同电子。
电子是没有体积的，电子半径小于10^-17厘米。
夸克也是没有体积的，夸克半径小于10^-17厘米。
提出贝尔不等式的那个贝尔，也在欧洲核子研究组织工作。这一天有个学生开着车，兴冲冲从巴黎赶来找贝尔。他是谁呢？