林国淙

时间：2024-01-15 13:16:27编辑：资料君

利昂·莱德曼的个人简介

属于巨蟹座的：利昂·莱德曼，著名粒子物理学家。1922年7月15日生于纽约，1946年进入哥伦比亚大学物理系读研究生，1951年获得博士学位后留校工作，1958年后任该校教授，1979-1989年曾任费米国家加速器实验室主任，并主持设计了超导超级对撞机建造计划。利昂·莱德曼长期从事教育工作，曾任美国科学促进会理事会主席。他在粒子物理实验领域成果卓著，并因“中微子束方法及通过发现μ中微子验证轻子的二重态结构”而荣获1988年诺贝尔物理学奖。

个人成就

人物成就

1988年诺贝尔物理学奖授予美国伊利诺斯州巴塔维亚（Batavia）费米国家加速器实验室的莱德曼（LeonM.Lederman,1922―）、美国加利福尼亚州蒙顿维（MountainView），数字通讯公司（DigitalPathways,Inc）的施瓦茨（MelvinSchwartz，1932―）和瑞士日内瓦欧洲核子研究中心的斯坦博格（JackSteinberger，1921―），以表彰他们在发展中微子束方法以及通过μ子中微子的发现显示轻子的二重态结构所作的贡献。

发现轻子的二重态结构

1931年，泡利为了解释b衰变的连续能谱，提出了中微子假说。1934年，费密建立b衰变理论，间接地证明了中微子的存在。但是，很长时间人们未能直接地观测到中微子，也不知道应如何去测量它。

1962年，美国哥伦比亚大学的利昂·莱德曼、施瓦茨和斯坦博格等人，想到可以用加速器来产生中微子。他们在纽约长岛布鲁克海文国家实验室的加速器上用质子束打击铍靶以产生p介子束流。p介子在飞行中衰变为m子，同时放出一个中微子。他们让p介子束流通过很大质量的铁块，使绝大部分的m子都被吸收掉，留下可以畅通无阻地穿过铁块的中微子，以便获取相当纯的中微子束流。然后，他们将中微子束流注入火花室，观察由此产生的新m子。其反应过程如下：

显见，这里产生的中微子与b衰变所产生的有所不同，后者的反应过程是：

这说明，中微子至少有两种：一种是电子中微子；另一种是m子中微子。莱德曼、施瓦茨和斯坦博格发现的是m子中微子。这样，神秘的中微子不仅被探测到了，而且还发现它们具有与电子和m子分别相关的两种属性。

利昂·莱德曼、施瓦茨和斯坦博格的发现为后来建立弱电统一理论奠定了基础。

发现“底夸克”

标准模型的数学理论要求有第四个夸克――魅力夸克的存在。可是人们并没有发现这种夸克。后来，在1974年，塞缪尔丁和伯顿里克特（1976年诺贝尔物理学奖）同时发现了这第四个夸克，其中一个叫J夸克，另一个叫psi夸克，现在称为J/psi微粒。

随着美丽夸克的发现，物理学家们开始怀疑是否有不止四种夸克。很快有了问题的答案，利昂莱德曼（1988年诺贝尔物理学奖）和他的小组发现了第五种夸克。这种夸克被命名为底夸克，而且底夸克带有1/3的电荷。科学家们期望找到与底夸克相匹配的顶夸克。不幸的是，近20年过去了还没有发现这种微粒。

《上帝粒子》

寻找“上帝粒子”

看似杂乱无章的世界，是不是可以归结为极少数的东西？不消说，用一个简单的理论，即全能的“超统一理论”来描述我们生活的宇宙的错综复杂性，是每一个物理学家的梦想。

然而，这谈何容易？伟大的爱因斯坦用他一生的大部分精力试图统一引力和电磁力，但没有结果，最终他还是抱憾离去。

尽管难以企及，寻求“统一”的接力依旧还在传递。莱德曼就是这诸多孜孜以求者当中极为执著的一位。在《上帝粒子》一书的开篇中，他有这样一段描述：

我是在布朗克斯长大的，那时我经常一连几个小时地看我哥哥摆弄化学药品。他是一个神童。我情愿做所有的家务活，以便他允许我看他做实验。现在他在做一些新奇商品的买卖，出售的东西包括狂欢的软垫、升降机牌照或者印有流行字眼的T恤等。这些T恤能够让人们用一句长度不超过胸宽的话总结出他们的世界观。科学家的目标也不过如此。我的目标就是活到能看到所有的物理学定律都被还原为一个简洁优美的公式，可以非常轻松地印到一件T恤的胸前。

少年时代读过的一本书给莱德曼留下了极为深刻的印象。10岁那年，莱德曼曾因为出麻疹而卧床不起，为了给他解闷、鼓劲，父亲给他买了一本爱因斯坦和英菲尔德合著的《相对论的故事》。书里讲的是科学上的侦探故事，每一个故事中都包括一个谜案、几条线索和一个侦探。侦探通过线索来解决这一谜案。而数十年后莱德曼在《上帝粒子》一书中讲述的故事，则有两个谜案需要去解决，它们都跟粒子有关。

第一个就是人们苦苦追寻的由德谟克利特最早提出的不可见也不可分的物质粒子――“原子”，它位于整个粒子物理学讨论的基础问题的核心。人们已经为解决这个谜案奋斗了2500年，积累了上千条线索。在《上帝粒子》的前几章中，莱德曼详细地回顾了前辈们所做的工作。他告诉我们，有许多“现代”的思想，实际上早在16和17世纪，甚至在基督教产生之前几个世纪就已经出现了。在《上帝粒子》的后几章中，莱德曼又引导我们回到现在来追寻第二个、也许是更大的一个谜案，其主角便是他认为在指挥着宇宙交响曲的粒子。

在莱德曼生动流畅的笔触中，我们可以看到两位不同时代的科学家之间存在的天然的血缘关系。其中一位是个16世纪的科学家，他从比萨斜塔上将两个重物抛了下来；另一位是个当代的粒子物理学家（说的大概就是莱德曼自己吧？），他坐在寒风扫过的伊利诺伊平原上一间临时营房里，冻僵了手指，还在检查从埋在封冻的地下、价值5亿美元的加速器里流出来的数据。他们都问了相同的问题：什么是物质的基本结构？宇宙是怎样运行的？

在寻找这样一件终极T恤的过程中，人们付出了持续几个世纪的努力，并且取得了显著的进步。例如，牛顿发现的万有引力，可以解释好多看起来毫不相关的现象：潮汐、苹果落地、行星运行和星系的形成。牛顿的T恤上写着F=ma。再往后，法拉第和麦克斯韦揭开了电磁波谱的秘密。电、磁、阳光、无线电波和x射线都是同一种力的表现。1929年，劳伦斯建造了世界上第一台粒子回旋加速器，打开了探索未知亚原子世界的大门……由此，物理学们家一步步地形成了对天地万物组成的基本认识。

如今，通过对多种粒子的研究，我们已经建立了“标准模型”，可以把现实中的一切归结为大约12种粒子和4种作用力。这个标准模型至今仍被证明是正确的，它将那些组成天地万物的所有基本微粒系统地分门别类，形成了一张简单的列表，并阐明了微粒之间相互作用的规律。

可是，在粒子物理学家眼中，标准模型里仍有两种令人烦恼的缺陷。第一种与它的不完备性有关。顶夸克直到1993年初仍没有找到（1995年宣布找到了）。中微子中尚有一种（τ中微子）也没有被直接观测到，物理学家所需要的许多数字还没有获得精确值。例如，我们不知道中微子是否有静止质量。我们需要知道CP对称性的破坏――物质的起源过程――是如何出现的。第二种缺陷则纯粹是美学上的，因为标准模型还没能达成数学的一致性。

到底是什么东西在阻碍我们得到那件完美的T恤呢？

莱德曼“咬牙切齿”地说：“宇宙中有一个无所不在的幽灵一样的大坏蛋，正在阻止我们理解物质的真正本质，阻止我们获得终极的知识。”这个看不见的阻止我们了解真相的障碍叫希格斯场（HiggsField）。它那阴冷的触角伸向宇宙的各个角落，而它的科学和哲学意义让物理学家起了一身鸡皮疙瘩。希格斯场通过一种粒子来施展它的邪恶的魔力。这种粒子的名字就叫做希格斯玻色子（Higgsboson）。寻找希格斯玻色子就是建造超级对撞机的主要原因之一。

今天，这种小得超乎想像的微粒已经处于当今物理学疆域的核心，它对于我们最终理解物质的结构举足轻重；而同时，它又是那样的难以琢磨，所以莱德曼给它取了一个绰号：上帝粒子（GodParticle）。

不过，莱德曼原来取的名字是“该死的粒子”（GoddanmnParticle）：“考虑到它那u2018恶毒u2019的本性，再加上花在它身上的巨额资金，我认为这个名字可能更加合适。”但出版商不干，于是变通一下就成了“上帝粒子”。

其实这个名字也是非常合适的，因为这个“该死的粒子”是如此神秘，与我们已知的任何东西都全然不同。如果希格斯玻色子真的存在（对此仍还有些疑问），并能识别出来，那就能回答一个长期以来只有哲学家和疯子才会提出的“傻”问题：物质为什么会有质量？借用欧洲原子能委员会的发言人彼得·杰尼的说法：物理学家需要希格斯玻色子来解释一个对普通人来说不是问题的问题：万物皆有质量。

为了实现那个雄心勃勃的“统一”目标，物理学家一直在跟某些抽象的物理和数学理论打交道。这些理论有不少晦涩难懂的名称（如超弦、超对称性、超引力等）。英国著名的理论物理学家霍金说过：“如果我们能找到一个答案，我们将宣告人类理智的最后胜利，因为我们将懂得上帝的意图。”

是的，在“上帝粒子”的背后，揭示了一个辉煌的、令人目眩的世界。可很快我们便会察觉到，我们并没有得到所有的答案：电子、夸克和黑洞里面到底有什么呢？这些问题将牵引着我们继续探究下去。

作品《上帝粒子》

究竟什么才是构成宇宙的终极粒子？从哲学家德谟克利特由闻到烤面包的气味《上帝粒子》推导出“原子”存在的“思想实验”开始，无数的实验家和理论家为解开这一谜案已经苦苦奋斗了2000多年。在本书前几章中，当代最伟大的粒子物理学家之一、1988年诺贝尔物理学奖得主莱德曼用幽默生动的语言，引领我们穿越历史的长河，对人类探寻宇宙终极粒子的发现之旅作了简要回顾。从中我们将会看到科学前辈们是如何通过一个一个的“尤里卡时刻”，将这一难题一步一步推进到揭开宇宙最后之谜的关键――上帝粒子。

“上帝粒子”是利昂·莱德曼对希格斯玻色子的别称。这种粒子是物理学家们从理论上假定存在的一种基本粒子，目前已成为整个粒子物理学界研究的中心，利昂·莱德曼更形象地将其称为“指挥着宇宙交响曲的粒子”。通过莱德曼妙趣横生的讲述，我们不但能够清楚地了解到现代物理学家们是如何寻找基本粒子的，读到现代物理学史上的许多趣闻轶事，还能对标准模型、大型一理论、超弦和暗物质等当代物理学前沿问题有更为深刻的理解，其中也包括“为什么所有的物质都有质量”这一更为基本的问题。

对理论家的看法

在《上帝粒子》一书中，作为实验物理学家的莱德曼不时地总要对理论物理学家挪喻一番。他承认：实验和理论的相互作用是粒子物理学的乐趣之一；物理学总体上是在实验家和理论家这两类人的相互影响下发展起来的，但两者却永无休止地陷入到一种爱恨交加的纠葛之中，因为人们总在计算两者的高下。他还不无讥讽地说：理论物理学家可能一辈子也碰不到实验工作中存在的智力挑战，也经历不到其中的激动和危险。理论家面临的唯一风险，是当他们在查找计算错误时用铅笔戳到自己的脑袋瓜子。在他看来，理论家经常会得到一些并非恰如其分的荣誉。他还打了这样一个比方：理论家、实验家和科学发现的关系就像农夫、猪和块菌的关系。农夫把猪带到可能有块菌的地方，猪就开始努力地寻找块菌。最后，猪找到了一块，可正当它要吃掉块菌时，农夫却把块菌拿走了。

不过，莱德曼对理论物理学家、1957年诺贝尔物理学奖得主李政道似乎颇有好感，书中多处提及李政道（他说他“不是很了解杨振宁”），对李政道在中餐馆点菜的“派头”印象尤深，还有一段很传神的描绘：

在午餐会开始讨论严肃话题之前，李政道先在一个恭敬的餐馆领班递来的小便笺本上点菜――每星期来吃饭他都要干这些琐事。李政道点菜很有派头，那真是一种艺术。只见他瞅了一下菜单、便笺本，用汉语向服务员问了一个问题，而后皱皱眉头，提笔划过纸面，认真地写下几个符号。接着是另一个问题，在一个符号上做了一下改动。为了得到神的指引，他瞥了一眼锡制的浮雕天花板，然后，大笔一挥而就。最后再看时，他的两只手都停在便笺本上，一只手五指伸开，传递着教皇对众人的祝福，另一只手则握着铅笔杆。一切尽在此间？阴阳、色、香和味的完美交融？

《上帝粒子》以流畅风趣的文笔描绘了一个杰出的科学家群体，但作者显然没有刻意去拔高或一味地颂扬他们（包括作者自己）。正如莱德曼所指出的那样：科学家通常也是普通人。正因为如此，他们才有着巨大的多样性，使得人们如此……如此有趣。

在他眼里，科学家有的很安静，也有的雄心勃勃；他们有的受好奇心驱动，也有的是为了一己私利；他们有的有着天使般的美德，也有的贪得无厌；他们有的绝顶聪明，也有的年老时还像孩子般天真。穷根问底，神魂颠倒，心灰意懒……

自画像

《上帝粒子》一书中不时流露出来的真情，也活脱脱地向我们展示了一个真诚、谐趣、可爱的莱德曼形象。例如他谈到“科学家之间能力的差距也是巨大的”：这是允许的，因为科学既需要建筑大师，也需要混凝土操作工人。我们之中有权威无上的人，有绝顶聪明的人，有心灵手巧的人，有直觉灵敏的人。但对于科学来说，最最重要的还是――运气。这里面甚至也有傻瓜和……笨蛋！

据莱德曼说，对于他的这个观点，他的母亲有一次抗议道：“（笨蛋）你是莱德曼指别人相对你来说的吧。”他的回答很干脆：“不，妈妈，是像其他的笨蛋一样笨。”他母亲又问：“那他是怎样得到博士学位的？”莱德曼答道：“坐臀，妈妈。”他接着解释说：坐臀是一种耐着性子把工作干完的能力，一遍又一遍地做，直到把工作完成。那些颁发博士学位的也是人――迟早他们会让步的。

莱德曼甚至还坦率地披露了他对于同行、1976年诺贝尔物理学奖得主丁肇中的偏见，以及他还没获得诺贝尔奖时的那种“酸葡萄”心理。他在书中写道：

丁肇中是一个小心谨慎、循规蹈矩而又有条理的实验家……我在给他写的推荐信中故意夸大了他的一些弱点――要想帮人找工作，这样做很有效。但我这样做只是为了说明：“丁肇中是个狂热、酸腐的中国科学家”。实际上，我对丁肇中是怀有偏见的，因为他是个中国人，这种偏见还是我小时候养成的。那时我爸爸开了家小洗衣店，因此经常听他讲起中国人与他进行竞争的许多事情。长大以后，与中国科学家共事总让我有点儿神经质。

莱德曼还提到，当他端坐书房撰写《上帝粒子》一书时，仍能回忆起17年前听到丁肇中获得诺贝尔奖的消息时的那种感觉：“作为一个科学家，作为一个粒子物理学家，我为这个重要发现而感到万分高兴，高兴之中自然也有几分对发现者的嫉妒，甚至还有一点u2018恶狠狠u2019的怨恨。这该算正常的情绪反应吧，因为我曾经在那里工作过――应该说丁肇中一直在做我未做完的实验！虽然在1967－1968年时还没有可以得到这种精确结果的仪器，但我们在布鲁克黑文实验室所作的那个实验孕育了两项诺贝尔奖，如果当初我们有一个功率更强的探测器，如果比约肯那时在哥伦比亚大学，如果我们更聪明一点……”

能拿到诺贝尔奖，自然是件很光彩的事。莱德曼承认，诺贝尔奖给获得者罩上了一层神圣的光环。“即使是你最好的朋友，一个你从小玩到大的伙伴，一旦他获得了诺贝尔奖，在你眼中他的形象也会有所改变。”获此殊荣确实使他的生活发生了改变，甚至还会“带来一些有趣的副效应”，因为公众对你的头衔的敬畏永远不会消失。

有一次，当莱德曼想为芝加哥的公立学校做点什么时，诺贝尔奖的光环就起作用了。人们聆听着他的讲话，方便之门一个个也打开了，“一夜之间就有了加强城市中学科学教育的计划”。诺贝尔奖这张不可思议的“通票”，竟使一个人可以对社会活动产生不小的影响。莱德曼感叹：“不管你因为什么荣获诺贝尔奖，你都会立刻成为一个各方面都精通的专家。”想必有人问过他，他才有这番调侃：“巴西的债务？当然懂。公共安全？没问题。u2018莱德曼教授，请告诉我，妇女的裙子多长为好？u2019u2018当然是越短越好喽！u2019我在心里这么说。不过，我确实很想凭借这个荣誉为美国高等科学教育的发展尽一份力。为这项事业计，让我再拿一次诺贝尔奖不好吗？”

多少年来，科学家在人们的头脑中似乎都已经“固化”成了一种模版式的形象。但翻一翻《上帝粒子》一书，听一听莱德曼的夫子自道，再瞧一瞧他的“自画像”，相信你看到的会是一个“真实”的科学家，一个“可爱”的莱德曼。

关注小学教育

1998年诺贝尔物理学奖获得者、美国科学家利昂·莱德曼（Leon.Lederman）教授现在是国际科学理事会能力建设委员会成员。近年来，他对小学的科学教育投入了极大的关注。在召开的国际科学理事会（ICSU）能力建设委员会（CCBS)2000年例会，即“小学科学与数学教育国际会议”上，他接受了本报记者的采访，颇感兴趣地介绍了他对小学科学与数学教育的看法以及“Handson（动手做）"教育方案的具体内容。终身从事物理学研究，并且获得了诺贝尔奖这一最高荣誉，却对小学科学与数学教育如此热衷，利昂·莱德曼教授首先对我们的疑惑做了解释。他始终对所有的科学领域都保持着浓厚的兴趣，并对人类在20世纪百年的发展有深刻认识：正是科学，使人类创造了一个崭新的高科技世界，人们的生活与思维也在随着科技的发展不断变化。作为一名曾经从事教学工作的科学家，利昂·莱德曼教授认为要把科学教育作为教育的一个重要部分。孩子未来的性格更多是由他们的早期经验所致，从小进行科学教育会对他们的一生产生影响，因此，现今教育任务的一个重要方面是使孩子们长大以后无论从事何种职业，都能对科学抱以积极的态度。这就是莱德曼教授关注小学科学教育的重要原因。

目前，国内外小学科学与数学教育的具体方式存在一定差异，莱德曼教授认为不能说哪一种方式更好，但有一点，在从事小学教学时，应注意使用正确的工具。“Handson”的教育方案就是一种很不错的工具。莱德曼教授在一些国家的中小学也接触过部分强调实践的教学方法，但他认为这些并不是他所提倡的真正意义上的“Handson”。“Handson”的创新在于要求教师和学生都围绕一些具体的问题进行教学和学习。学生在教师的帮助下进行实验、观察，并通过亲身体验得出结果。他们必须创造性地思考问题，自己决定要进行的实验，在师生共同的讨论中，学会如何解决和处理问题。“Handson"的教育方案关键强调了科学教育的两个部分：一是过程，即如何进行工作；二是内容，即对事实的认可。事实是无可争议的，在决定如何去发现事实的前续阶段，即实验的思考准备阶段也是相对容易的，这些都可以由孩子自己主动去完成。利昂·莱德曼教授从自己的体验出发，认为孩子们探寻事实的过程与科学家们的研究过程是一样的，他们先产生想要了解某事物的动机，然后制定方案、收集资料、组织过程，最终分析并得出结论。教师在其中的作用是鼓励与激发学生们讨论，而并不是让学生认为自己懂得了全部知识。

很多人认为，在学生受教育的过程中，教师起着最主要的作用，但利昂·莱德曼教授却认为，教师、家长以至科学家等社会各界人士都应在孩子的科学教育中做出努力。

这次会议一个很重要的话题就是教师培训的问题，在“Handson”教育方案最初实施时曾失败，原因就是忽视了对教师的培训。现实情况是，在许多国家，很多教师并没有接受过科学教育，但在知识爆炸的现今社会，每天都有新的事物产生，因而对教师而言每天都应不辍地学习。停止学习，即意味着思维的落后，这就要求教师也应像孩子一样对新鲜事物始终抱有强烈的兴趣。认识到这点后，“Handson”教育方案的实施者们，近年来做了大量的教师科学教育的培训工作，也取得了很大成绩。

“Handson”教育方案同样鼓励家长来协助教师，因为教师只是孩子接受教育的一个来源，但家长可以在白天或晚上任何可能的情况下教育孩子。在芝加哥，他们为家长开办了一些周末学校，向家长们介绍“Handson”教育方案具体的过程和实施的意义，让家长们意识到这是一场教育革命，家长们有必要与孩子们一起学习，去适应新的形势。美国学校周围是一个个社区，在社区中帮助家长学习是很方便，也是很有必要的。

谈到科学家在科学教育中的角色，利昂·莱德曼教授认为，科学家应担负起不可推卸的责任。有时教师和家长并不能回答学生提出的所有问题，因此他们组织了一些科学家通过E－mail、电话等方式为教师提供支持和帮助，并直接回答一些学生提出的很专业的问题。科学家们虽然很忙，但他们有责任帮助孩子，因为孩子是未来，他们中的一部分今后也可能成为科学工作者。并且许多科学家本身也是教师，有着丰富的教学经验，他们很乐意提供帮助。

利昂·莱德曼教授显然对科学教育有着许多新的想法，他还提到了让高年级学生帮助低年级学生的教学学习方式，他认为高年级学生在帮助学弟学妹的过程中自己也在学习，并且可以早早地开始他们的“教师生涯”，毕竟要培养一个有经验的教师需要20年的时间。

展望教育未来的发展趋势，利昂·莱德曼教授反复强调了科学教育的重要性，他指出只有探寻更加合理的教育方法，教育才能跟上科学发展的步伐。

语录

“它过于复杂，有许多过于武断的参数。”利昂·莱德曼说，“我们其实不明白，为了创造我们都知道的宇宙，造物主干吗要转动20个门把来设定20条参数。”“我们深深地感到，这幅图画并不美丽。”

――利昂·莱德曼在1985年的一部电视片里评价夸克标准模型不大优美，不大简明。

各界评价

莱德曼在得知自己获得诺贝尔奖时,开玩笑地说:“我没有更早得到诺贝尔奖,是因为他们不能决定为了什么发现而授予我诺贝尔奖”。莱德曼以毕生精力从事高能物理实验,做出了多项发现,许多工作都是开创性的,直到此时,他已经66岁了,还活跃在实验研究的前沿上,担任著名实验研究基地――美国费米加速器实验室(FNAL)所长。应该说,在他众多的发现中,任选一项都可以使他有资格被提名为诺贝尔奖的候选人。例如:1956年发现中性K介子；1965年发现反氘核；1977年发现γ粒子；他研究强子碰撞中轻子对的产生,开创了实验高能物理学的新方向；他最早在π-μ-e衰变过程中对李、杨宇称不守恒原理做出实验检验等等。莱德曼一生硕果累累。1956年发现中性K介子；最早在π-μ-e衰变过程中对李，杨宇称不守恒原理做出实验检验，和吴健雄的钴60实验同一天向《物理评论》递交论文；1965年发现反氘核；1977年发现γ粒子。由于在发展中微子束方法以及通过μ子中微子的发现显示轻子的二重态结构所作的贡献，1988年与施瓦茨，施泰因贝格一起荣获诺贝尔物理学奖。

林国淙