无机材料科学基础
&&&&―&&&―&&第一章 绪论
第一章 绪&& 论
&&&&材料是可以直接用来制造有用成品的物质，是人类生存和发展、征服自然和改造自然的物质基础。材料的使用与发展是人类不断进步和文明的标志。从科学技术发展史中可以看到，每当发现一种新材料，就将带动科学的发展和技术的革命。材料是一切科学技术的物质基础，是当代科学研究的前沿。现在，材料与能源、信息技术是现代文明的三大支柱已经得到国际的公认。世界上现有的传统材料约有几十万种，新材料还在以每年约5%的速度不断增长。在21世纪中，科学技术将有更大的发展，材料的研究与制造将显得十分重要，在材料科学与工程领域里奋斗的人们将有无限的前途。未来的科学家与工程师们现在要努力学习，以便将来去迎接挑战，去开拓材料研究与制造的新天地，为人类进步与文明做出应有的贡献。
一、无机材料实验的特点和任务
&&&&（一）&& 无机非金属材料的现状
&&&&从古到今，尤机非金属材料在材料中都占有较大的比重。但在不同的历史阶段，无机非金属材料的定义有一定的差别。在20世纪40年代以前，无机非金属材料仅被认为是由自然产出的石头加工而成的制品；用天然粘土为主要原料制作而成的粘土制品；用多种非金属矿物原料生产出的水泥、玻璃、陶瓷、耐火材料乡用成分比较纯的非金属矿物原料生产出的人工晶体等。40年代以后，随着航空航天工业、电子信息工业、机械工业、生物材料工业等的发展，人们开发出了一系列的新型材料，极大地增加了无机非金属材料的品种和名目。现代无机非金属材料的定义已经扩展，品种包括除金属材料、有机高分子材料以外的几乎所有的材料，种类繁多，用途广泛。其中的结构材料、耐磨材料、电子材料、声光材料、敏感材料、生物材料等，是现代社会不可缺少的支柱材料，在21世纪中将发挥重要的作用。
&&&&（二）&& 无机非金属材料实验的特点
&&&&（1）实验的概念
&&&&在现代汉语中，有“实验”、“试验”、“测试”、“检验”等词。这些词的含义相似，容易混淆。
&&&&“实验”是指科学上为了阐明某一现象而创造的条件，以便观察它的变化和结果的过程，或者为了检验某种科学理论或假设而进行的某种操作、所从事的某种活动。“实验”的这些定义似乎带有验证的意思。
&&&&“试验”，指的是为了察看某事的结果或某物的性能而从事的某种活动，侧重于表达研究的意思。
&&&&“测试”的含义偏重于对某物性能的数值测量。因此在科学研究或生产中，当需要定量确定材料的某些（个）性能时，一般习惯于说做“测试”。
&&&&“检验”则是指用工具、仪器或其他（物理或化学的）分析方法检查事物是否符合规格的过程。所以，在工厂对产品的质量进行鉴别和评定时，一般说进行产品‘，检验”；同样，在商品流通过程中对商品的质量进行鉴别和评定时，一般也是说进行商品“检验”。
&&&&由以上分析可见，“实验”一词的含义与“试验”、“测试”、“检验”等词的含义是不同的。为了论述方便，我们在此约定将“试验”、“测试”、“检验”等词的含义都合并到“实验”之中。在本书的其他叙述中，所说的“实验”属于这个扩充的含义，不再具体说明。
&&&&(2)无机非金属材料实验的特点
&&&&无机非金属材料实验是研究材料制取方法和材料性能测量方法的科学。在不同的历史阶段，无机非金属材料实验具有不同的研究内容和特点。在现代，无机非金属材料的定义已经扩展，品种包括除金属材料、有机高分子材料以外的几乎所有的材料，所以其研究内容十分广泛，具有新的特点。
&&&&①与科学研究和生产实践紧密结合。随着科学技术的不断发展，各行各业需要各种传统材料的同时，还需要性能特殊的新材料，这促进了无机非金属材料的研究、开发与生产。在材料的研究与开发中，人们对新材料进行设计，然后通过实验获得新材料，通过测试获得新材料的性能数据，并根据测量数据判断其是否满足应用的需要。如果没有满足需要，则继续进行设计与实验。有时，为了改进材料的种类或性能的测量方法，人们还要研究新的实验方法和测量手段。如果获得的材料已满足使用的要求，则组织规模化生产，向社会提供商品。所以，无机非金属材料实验与科学研究和生产实践紧密相连、互相促进、共同发展。
&&&&②与物理、化学、物理化学等多学科相结合。在现代，随着人民生活水平的提高，人们对新材料品种和功能的要求越来越多，对传统材料的使用也提出了新的问题。例如，石材从古到今地使用，没有注意有什么问题，可近年来，对花岗岩、大理石的放射性就引起人们的警惕。一些用“三废”研制的（新）材料是否有放射性或毒性，目前也使人们不放心。此外，材料在自然或人工环境长期作用下的变质问题也越来越引起人们的重视。要解决这些众多的问题，需要物理、化学、物理化学等多门学科的理论知识和实验方法。因此，无机非金属材料实验是综合多门学科的科学。
&&&&③传统实验方法与现代实验方法相结合。无机非金属材料的制备方法有多种。从温度范围来分，有高温和低温制备方法。从物质形态来分，有固相、液相和气相制备方法。其中，有的是传统方法，有的是现代方法。在无机非金属材料成分、结构、性能的测试方法中，有许多是传统的测试方法，也有不少是现代测试方法。因此，无机非金属材料实验是传统实验方法与现代实验方法相结合的实验。
&&&&(3)无机非金属材料实验的任务
&&&&无机非金属材料实验的任务，应从社会的发展和科学技术的发展对无机非金属材料的需要、材料的研究与生产的特点来考虑。
&&&&当前，社会还需要大量的传统的无机非金属材料，这些材料的传统研究方法是以经验、技艺为基础，依靠配方筛选和性能测试与分析的方式来进行的。因此，通过对原料的特性、界面性质、工艺性能与材料（及其制品）性能之间规律性的研究，可以表征材料的本质，形成和完善材料生产、应用的质量控制体系，为无机非金属材料的发展提供理论和实践的根据。
&&&&随着社会和科学技术的发展，各行各业将需要大量的新型材料。然而，沿用传统的方法是不大可能研制出具有独特性能的新型材料的，因为通过传统的宏观现象的研究只能对材料的宏观性能提供某种定性的解释，而不能准确地预示材料的性能，不能准确地指明新材料开发的方向。从现有新材料的发展来看，几乎所有新型功能材料的研究中都体现出化学与物理相结合、微观与宏观研究相结合、理论与技术相结合的特点。因此，要通过综合各门学科的知识来研究传统材料的改进和新材料的设计，通过各种先进技术来探索新材料的生产方法。
&&&&要从事无机非金属材料的研究和生产就得有人才。因此，无机非金属材料实验还有一个任务，即通过科学实验和生产实验工作培养出能理论联系实际、有分析间题和解决间题的能力、有严谨态度和实事求是的工作作风的科学家和工程师。
二、实验课的目的和任务
&&&&以上所讨论的无机非金属材料实验的特点，与实验课的特点是有区别的。后者的侧重点在于对在校学生的教育与培养。
&&&&（一）实验课的目的
&&&&开设无机非金属材料实验课，其宗旨是使学生受到科学家和工程师素质的基本训练。现在，传统无机非金属材料不少，新型无机非金属材料不断增多，这就确定了无机非金属材料实验课的两个特点：许多传统实验要继续开，学生对这些实验技能要掌握；新实验的原理、方法陆续出现，并处于不断完善和不断进步之中，学生对其中的一些实验要掌握，一些实验要了解。
&&&&长期以来，传统观点认为学生上实验室做实验是验证所学的书本知识，加深对知识的理解和记忆，“实验”这个词的验证含义已经深深地植人人们的大脑之中。当然，由于理论教学的需要，适当做些验证性的实验是必要的，但只做验证性的实验是不够的。改革开放的形势要求大学毕业生要具有较强的动脑和动手能力，传统的教育观念必须改变。学生不仅要做验证性的实验，还要做测试型、综合型和设计型的实验。
&&&&在实际工作中，无论是一个科研项目的探索性实验，还是一种材料的性能实验，一般都由一系列的单项实验组成，都得按计划一个一个地做，然后根据各项实验现象或数据分析判断，得出最终实验结果（结论）。无机非金属材料实验课也是这样，从实验类型来看，可以分为验证型实验、综合型实验或设计型实验等，可以按教学要求或实验室的条件选择一种类型进行实验教学。但无论选择做何种类型的实验，都是由一系列的单项实验组成的，每个单项实验都为实验设计的总目标服务，得按计划一个一个地做。为此，在做每个实验时要有整体实验的概念，要考虑每个实验之间的联系、每个实验可能对最终实验结果产生的影响。
&&&&现代无机非金属材料的种类很多，研究方法、生产方法和质量检验方法也有区别。由于教学时间和实验条件的限制，要全面涉足是不可能的，突出重点、兼顾其他是目前惟一的选择。另一方面，从思维方式和技术方法这两个角度来看，各种无机非金属材料的科研、生产和质量检验也有许多相同之处，因此在教学上以点带面是可能的。学生通过认真做一些经过精选，具有代表意义的实验，再经过举一反三，融会贯通，就会具备适应将来工作岗位的基础和能力。
&&&&（二）实验课的任务
&&&&无机非金属材料实验课的任务可以概括为对学生进行实验思路、实验设计技术和方法的培养；对学生进行工程、创新能力的培养；对学生进行理论联系实际和主动精神的培养。
&&&&(1)完善本专业的知识结构
&&&&在高等教育中，理论教学和实验教学是大学教育的两个主项，两者相辅相成，并由此构成完整的教学体系。
&&&&对材料类专业的学生来说，在大学期间主要是学习材料科学与工程方面的基本理论，材料制备与材料性能测试的基本知识和基本技能，掌握材料性能的变化规律，为正确设计材料、生产材料和合理应用材料打好基础。
&&&&无机非金属材料实验课是“无机非金属材料工学”课程的后续课程。从某种意义上说，实验也是材料工学知识的具体应用与深化。通过实验教学环节，使学生巩固在理论课中所学的材料制备、各种基本物理化学性能及测量这些性能的理论知识，加深本专业的认识和理解，完善本专业的知识结构，从而达到专业应有的水平。这对于学生今后在材料科学与工程领域从事有关实际工作具有重要意义。
&&&&(2）培养和提高能力
&&&&无机非金属材料实验课程的主要任务是通过基础知识的学习和实际操作训练，使学生初步掌握无机非金属材料实验的主要方法和操作要点，培养学生理论联系实际、分析问题和解决问题的能力。这些能力主要包括以下几点。
&&&&①自学能力。能够自行阅读实验教材，按教材要求做好实验前的准备，尽量避免“跟着老师做实验，老师离开就停转”的现象。
&&&&②动手能力。能借助教材和仪器说明书，正确使用仪器设备；能够利用工学理论对实验现象进行初步分析判断；能够正确记录和处理实验数据、绘制曲线、说明实验结果、撰写合格的实验报告等。
&&&&③创新能力。能够利用所学的工学知识，或根据小型科研或部分实际生产环节的需求，完成简单的设计性实验。
&&&&(3）培养和提高素质
&&&&素质的教育与培养是大学教育的重要一环。实验教学不仅是让学生理论联系实际，学习科研方法，进而提高科研能力，还要使学生具有较高的科研素质。科研素质主要包括以下几个方面。
&&&&①探索精神。通过对实验现象的观察、分析和对材料物理化学性能测量数据的处理，探索其中的奥妙，总结其中的经验，提出新的见解，创立新的理论等。
&&&&②团队精神。在实验教学环节中，有许多实验是单个人无法独立完成的，有的实验要花上十几个小时甚至几天才能完成，实验中必须多人分工合作才能进行，要尽量发挥集体的力量刁满使实验成功。要通过做这类实验提高实验组成员的凝聚力，使学生之间的关系更加融洽；要通过做这类实验使学生认识到团队协作精神在材料这个行业中的重要性，增强责任感和事业心，培养团队协作精神和能力，为将来的工作打好基础。
&&&&③工作态度。做实验有时是枯燥无味和艰苦的。但是，纵观做出较大贡献的科学家或工程师，几乎都是在实验室里刻苦工作干出来的。因此，在实验教学中要教育学生，要求学生刻苦钻研、严谨求实、一丝不苟地做实验，要督促他们在实验室里进行磨练，认真把实验做好。要使之明白“先苦后甜”的道理，只有在大学的学习中学会对工作、对生活的正确态度，才能胜任将来材料研究或生产的工作，才能为祖国和人民作出贡献。
&&&&④人文素质。人文素质通常指人文科学知识和素养。材料类专业的学生在大学期间这方面的课程学得不多，因而有的学生人文素质极差，写作水平低下。在实验教学中要求学生通过写较高质量的实验预习报告、设计实验开题报告、实验课题总结报告等形式，提高学生的人文科学知识和素养。
&&&&⑤优良品德。21世纪对人们道德的评价，是以社会公认的人的公民素质为主来评判的。其标准是具有高度的公民觉悟和公民意识，即具有整体意识、高尚的情操、健全的良好的人格；具有奉献精神、自尊自爱、尊重他人、关心他人、先人后己；具有热情、文明行为，诚实守信，会合作、有良好的人际关系；有个性、有主见、有较强的控制力、坚定的信念、良好的情绪，不因为时势所动；有敬业精神、开拓精神、有新的观念、宽阔的视野、会生存等。只有具备高尚品质的人，才能受人尊重并在自己工作中做出突出成绩。
&&&&在实验教学的过程中，教师要对学生进行引导，使学生克服不良的习惯，提高道德品质的素质，为提高大学生的综合素质做贡献。
三、学习方法
&&&&传统的实验教学方法是灌输式，学生围着老师转，有许多缺点。可是，传统教育也培养出许多优秀的学生，他们会思考，动手能力强，在工作中做出了不少成绩，或为人类做出了较大的贡献。在相同的条件下培养出了不同质量的学生，答案只有一个，那就是学生个体的特性在起作用，而学习方法不同无疑是主要的影响因素之一。当然，实验教学改革的目的和重点是要让学生从被动转为主动，但对学生来说，无论教师采取什么方式教学，自己发挥主观能动性，自己把被动转为主动，就能把学习搞好，就能成为具有真才实学的人。
&&&&为了达到期望的实验教学效果，本书提出以下建议供读者参考。
&&&&（一）重视实验
&&&&随着改革开放的不断深人及社会市场经济体制的建立和运行，社会需要的是综合性复合型的人才。专业人士不能只树一帜，必须博学多才，身怀多种绝技。为了将来能适应改革开放的环境，在校大学生不能满足课堂上所学的理论知识，而是要千方百计地拓宽知识面、扩大视野以增强自己的竞争实力，尤其是实验方面的实力。
&&&&华裔科学家丁肇中是个对实验非常看重的人，他说：“研究成功原子弹，实验方面起的作用非常重要，因为真正困难的是独立解决实验技术问题”。丁肇中的成功也是得益于实验。他在诺贝尔奖颁奖典礼致答词时说：“得到诺贝尔奖是一个科学家的最大的荣誉。我是在旧中国长大的，因此想借这个机会向发展中国家的青年强调实验工作的重要性。中国人有句古话：‘劳心者治人，劳力者治于人’，这种落后的思想，对于发展中国家的青年们有很大害处。由于这种思想，很多发展中国家的学生们都倾向于理论研究而避免实验工作。事实上，自然科学离不开实验的基础。特别是物理学，它是从实验产生的。我希望由于我这次得奖，能够唤起发展中国家的学生们的兴趣，使他们注意实验室工作的重要性。”
&&&&实验室是人才的诞生地，英国剑桥大学是“科学家的摇篮”，其中的卡文迪什实验室，就出了25人次的诺贝尔奖。实验是一种实践活动，是基本技能训练、动手能力培养的重要环节。现代的理工科大学生要成材，就要足够重视实验，在实验室里努力学习，经受训练。在大学学习期间全身心地投人实验将会受益终身。
&&&&（二）预习
&&&&为了使实验有良好的效果，实验前必须进行预习。看实验教材应达到什么程度呢？我国南宋哲学家、教育家朱熹的说法可供参考，他说：“大抵观书须先熟读，‘使其言皆若出吾之口；继以精思，使其意皆若出于吾之心，然后可有得尔”到这种程度当然不容易，对即将要做的实验心中有数则是应该做到的。通常预习应达到下列要求：&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&①浏览实验教材，知道计划要做的实验项目的总体框架；
&&&&②了解实验目的、实验原理、实验重点和关键之处；
&&&&③了解仪器设备的工作原理、性能、正确操作步骤；
&&&&④定量实验必须记录测量数据，因此在预习实验项目时，应画好记录数据的表格计表格是一项重要的基本功，应当尽力把表格设计好；
&&&&⑤实验教材中的思考题或作业题，是加深实验内容或对关键问题的理解、开发学生视野的一些间题；在实验前应把这些间题看一遍或进行一番琢磨，可提高实验的质量；
&&&&⑥对不理解的问题，及时查阅有关教科书，或列出清单请老师解答。
&&&&（三）实验
&&&&做实验有时是枯燥无味和艰苦的，但“先苦后甜”。纵观已做出较大贡献的科学家，几乎都是在实验室里刻苦工作干出来的。例如，赫之成功地证实了麦克斯韦的理论，发现了电磁波，给人类文明做出了伟大的贡献，这是他几乎整日整夜地沉浸在实验室中的结果。他在一封信中写道：“无论从时间上还是从性质上，我都像一个工人在工厂里那样工作，我上千次地重复每一个单调的动作，一个挨一个地钻孔、弯铁片、接下来还要把它们涂上漆……”。为了今后能胜任无机非金属材料的研究或生产的工作，为祖国和人民作出贡献，我们要学习这种精神，现在就要在实验室里进行磨练，认真把实验做好。
&&&&一般地说，在大学学习期间要做的实验与有成就的科学家们所做的实验是有区别的。这些科学家们所做的实验尽管有的现在看起来比较简单，但做这些实验是为了达到某种科研目的而自行设计的。而学生在实验室所做的课程实验，一般是根据实验教科书上所规定的实验方法、步骤来进行操作的，因此，要达到教学的要求得注意以下几点：
&&&&①认真操作、细心观察，并把观察到的现象，如实详细地记录在实验报告中；
&&&&②如果发现实验现象与实验理论不符合，或者测试结果出现异常，就应该认真检查原因，并细心重做实验；
&&&&③实验中遇到疑难问题而自己难以解释时，应及时提请教师解答；
&&&&④在实验过程中应保持安静，严格遵守实验室工作规则，防止出现各种意外事故；
&&&&⑤要在实验教学安排的有限时间里，保质、保量地完成实验。
&&&&（四）编写实验报告
&&&&实验成功只是实验教学要求的一部分。学生做完实验之后，必须写实验报告，这是实践训练的重要环节之一。
&&&&实验报告是学生动手能力、写作能力的一种体现，是实验水平的一种.证明。如果你的实验很成功，但实验报告却写得一塌糊涂，就不能反映你的真正的实验水平。因此，做完实验之后要尽心尽力地把实验报告写好，要写出深度，写出水平。
&&&&实验报告是实验总结的一种方式，对于验证型的实验，应解释每个实验的现象，并做出结论；对于测试型的实验，应根据测得的数据进行计算，求出最终结果，并分析测试结果的可信程度。对于综合型或设计型的实验，还要写出总体实验研究报告。
&&&&要按时完成实验报告，并交指导教师评阅。评阅实验报告是教师检查学生学习情况和教学效果的一种重要方法，实验报告的优劣是教师给予实验成绩的根据之一。当然，实验分数的高低不应是我们所关心的主题，重要的是要看教师批阅后发还的实验报告，要明白哪些做对了，哪些做错了。
&&&&1．原料、材料、原材料的含义有何差别？
&&&&2．验证型实验、测试型实验、设计型实验、综合型实验的特点是什么？
&&&&3．你认为本书所列的实验项目中，哪些实验是验证型，哪些实验是测试型，有没有设计型？
&&& 4．你认为本书所列的实验项目中，哪些实验是原料（燃料）性质的测试研究，哪些实验是材料形成规律的实验研究，哪些实验是材料性质的测定分析？
&&& 5．你认为在做实验的整个过程中，误差分析和数据处理的基础知识有没有用，为什么？
&&& 6．你是否喜欢到实验室做实验？为什么？
主要参考文献
&&&&1．唐小真主编.材料化学导论（第1版）.北京：高等教育出版社，
&&&&2．刘万生主编.无机非金属材料概论（第1版）.武汉：武汉工业大学出版社，
&&&&3．徐海龙.现代无机非金属材料的分类与发展.国外建材科技.-18
&&&&4．欧阳国恩，欧国荣主编.复合材料试验技术（第1版）.武汉：武汉工业大学出版社，
&&&&5．杨建邺等编.杰出物理学家的失误（第犷版）.武汉：华中师范大学出版社，1986
&&&&6．赵家凤主编.大学物理实验（第1版）.北京：科学出版社，2000
&&&&7．丁振华，谢景山主编.物理实验预习与实验报告（第1版）.成都：成都科技大学出版社，1997
&&&&8．陈金忠等.浅议面向21世纪实验教学改革的形势与任务.实验技术与管理.2，101一104
&&&&9．范昌波.编写实验教材和培养学生能力的实践与体会.实验技术与管理.3―134您的位置： >
来源：　　作者：丁英萍,吴银枝
化工原理实验室的建设实践与探索　 前言丁肇中在诺贝尔奖颁奖典礼的答词中说道:“得到诺贝尔奖是一个科学家最大的荣誉。我是在旧中国长大的,因此想借这个机会向发展中国家的青年强调实验工作的重要性。中国人有句古话:‘劳心者治人,劳力者治于人’,这种落后的思想,对于发展中国家的青年们有很大害处。由于这种思想,很多发展中国家的学生们都倾向于理论研究而避免实验工作。事实上,自然科学离不开实验的基础。特别是物理学,它是从实验产生的。我希望由于我这次得奖,能够唤起发展中国家的学生们的兴趣,使他们注意实验工作的重要性。”可见实验室在教学和人才培养方面发挥了多么重要的作用。21世纪是科技迅猛发展的时代,实验室在为教学服务的同时,也为科研开发和学科建设创造良好的条件,真正体现以教学带科研,以科研促教学的发展思路,为教学和科研开发的良性循环奠定坚定的基础。高等学校化工类学院化工原理实验室的重要地位和作用:化工原理是化学工程、食品工程、生物工程、轻工、环工相关专业的重要的专业基础课,而化工原理实验是将化工原理理论与实践联系起来的重要环节。化工原理实验教学不仅验证化工原理理论教学讲授的单元操作理论,更重要的是该实验课首次将学生引入他们原来完全陌生的(本文共计3页)　　　　　　　　　　
相关文章推荐
看看这些杂志对你有没有帮助...
单期定价：8.00元/期全年定价：6.40元/期　共25.60元
　　　　　　丁肇中:为名为利学物理是很危险的事_名人网>>丁肇中:为名为利学物理是很危险的事4月3日,山东大学能源与动力工程学院教授程林准备迎接即将到来的清明假期,突然接到美籍华裔物理学家丁肇中的通知。身在欧洲核子研究中心(CERN)的丁肇中告诉他,就在今天,他要全球同步发布一份数据。
作为丁肇中团队的一部分,程林所带领的团队负责阿尔法磁谱仪(AMS)的热控制系统。他马上忙了起来。丁肇中从1994年开始寻找暗物质,到现在已经做了18年,而这还是第一次公开发布结果。要知道,这位从不轻易发表研究成果的科学家上一次公布的研究成果,获得了诺贝尔物理学奖。
于是,与丁肇中一同合作实验的山东大学团队匆匆准备发布会,已经准备放假的记者们也重新掏出录音笔采访,把这条消息添到头条新闻里。英国广播公司(BBC)的主播也在新闻中间突然插进来一句:“最新消息,科学家似乎发现了暗物质?”
“我们发现了40万个正电子。”丁肇中慢悠悠地说,他列举了可以支撑它们来源于暗物质的理由,又一字一顿地补充说,“可是没有完全的证据。”
来自世界各地的记者围在新闻发布会上,纷纷示意要向这位科学家提问。坐在实验室里,这个77岁的物理学家不慌不忙地回答每个人的问题,而在他背后,其他工作人员一如继往地守在电脑前,继续处理那些还未完成的数据。
一个快80岁的老侦探寻找证据,这就是丁肇中的故事,我们快要听到这个故事的大结局了
在瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心,临时得到发布会消息的记者蜂拥而至,与此同时,山东大学的程林也在匆忙之中开始了中方发布会。
可是,并不是每个人都能立刻明白丁肇中的实验。英国媒体第二天发表的文章开头说:“你觉得‘上帝粒子’晦涩难懂是吗?那试试暗物质吧!”
从1994年着手寻找暗物质的实验起,丁肇中就一遍又一遍解释“暗物质”这个词的意思――暗物质是指目前在宇宙中人类看不见的物质。在宇宙中,暗物质占据了大约27%的份额,而我们通常所能观测到的普通物质只占宇宙质量的5%。
“我们对宇宙的了解非常非常少,而宇宙大得很难想象,所以我们目的是将整个宇宙找一遍,一直找到接近宇宙边缘的地方,看看有没有我们所未知的物质。”丁肇中对媒体说。
于是,他做了18年的实验,建造了重达7.5吨的阿尔法磁谱仪,邀请了来自16个国家和地区、54个研究机构的近600名研究人员参与其中。他计划,在未来20年内,在距离地球近400公里的国际空间站上,阿尔法磁谱仪将收集到3000亿个数据。
究竟有没有暗物质,人们期待着丁肇中团队的答案。在丁肇中的带领下,这个团队凡事都能说出个准数来。程林能细数出他所负责的热系统里面的32426个零件,而丁肇中就连日常生活也都记录在精确的数字里――从办公室回家的车程在15到17分钟之间,他家门口有两排松树,一共67棵……
日,在日内瓦的实验室里,丁肇中向全世界第一次公布了阿尔法磁谱仪项目的实验数据结果――阿尔法磁谱仪在太空实际运转中探测到40万个正电子;比例上升是平衡的,没有出现峰值;正电子来源没有特定方向。“这些都支持正电子来源于暗物质,可是没有完全的证据。”他说。
这个结果却让守着新闻苦等的物理学家们一时语塞,美国加州理工学院物理学家西恩 卡罗尔干脆称呼这个结果是“叫人干着急的证据”。
“我只能这么说,我的责任是打开一个门,用精密的仪器去测量,我最主要的是要保证一切是正确的,不要出错。”丁肇中说。此前包括美国费米望远镜等项目都曾观察到过量正电子现象,但数据误差很大,而阿尔法磁谱仪的误差只有1%,“相当于肉眼和精密显微镜的区别”。
“一个快80岁的老侦探寻找证据,这就是丁肇中的故事,我们快要听到这个故事的大结局了。”美国芝加哥大学物理学家迈克尔 特纳是暗物质理论研究领域的泰斗,他对媒体说,“虽然现在侦探手里是个让人着急的线索,但是接下来更多的答案,将帮我们写完这个侦探故事。”
在日内瓦,丁肇中也对记者说,阿尔法磁谱仪目前运转良好,所以,“在接下来的几个月里,它提供的数据将告诉我们,这些正电子究竟是暗物质存在的证据,还是有其他来源”。
他喜欢的那类实验就像是“站在一场大暴雨里,寻找大雨中与众不同的一粒雨滴”
在欧洲核子研究中心的发布会之后,丁肇中通过视频连线,参加了在美国国家航空航天局(NASA)的一场发布会。一位白发苍苍的NASA负责人笑着说:“实验做了18年,现在第一次公布报告,我只能说,它教会我们,耐心是一种美德。”
从1995年开始,丁肇中正式开展阿尔法磁谱仪项目实验。那时候,他早已在物理学界提出颠覆性的发现了。1974年,他在实验中发现了J粒子。此前,科学家相信宇宙是由3种最基本粒子构成的,可丁肇中的发现提出了第4种可能。他本可以当时就公布结果,但丁肇中坚持反复核查每一步实验,一直到两年后,另一个实验室也得出了同样的结论。1976年,丁肇中和另一位物理学家被共同授予当年的诺贝尔物理学奖。
“拿到诺贝尔奖的时候我有点吃惊。正常情况下,评委会总得让你等上20多年才会颁奖给你,但是我的工作才完成1年多他们就给了奖。”丁肇中开玩笑说,“我想他们一定是被兴奋冲昏了头脑。”
于是,丁肇中把他的诺贝尔奖证书和奖章、J粒子原始数据资料手稿、用小楷书写的中文获奖感言,连同去斯德哥尔摩领奖的飞机票,一同锁在一个不起眼的小铁箱里,放在他摆放实验工具和仪器的房间,继续寻找暗物质的实验。
不过,这个实验就像他喜欢的寻找J粒子实验一样困难。用他自己常常打的比方说,他喜欢的那类实验就像是“站在一场大暴雨里,寻找大雨中与众不同的一粒雨滴”。
“去寻找你已经知道的东西,是一件很没劲的事情。”丁肇中说。
他在距离实验室15到17分钟车程的地方住了下来,那是栋用茅草做顶、木梁结构的房子,周围没有邻居,只有一片葡萄园和两排松树。他不在办公室的时候,就在这里思考他的实验。在家门前的67棵松树间散步的时候,丁肇中设计出寻找暗物质的方法――到太空去做实验。
把仪器送到天上去,这是个科学上的好主意,却让负责拍板的美国政客们直皱眉头,其中一个重要的原因是――太贵了。“我的每一个实验,都经历了许多的反对。但是,做实验物理,不能因为绝大多数人反对,你就不做。物理学的进步,就是推翻所有人已知的东西而来的。”丁肇中说。
终于,丁肇中打动了国会,也得到了政府的支持。2009年奥巴马政府上任后的第3天,NASA就宣布了运送阿尔法磁谱仪的航天飞机的班期。日,美国“奋进”号航天飞机执行最后一次任务,将阿尔法磁谱仪送至国际空间站。这果然不是一次便宜的旅行,耗资5亿美元。
丁肇中的坚持让他在美国媒体中获得了“钢铁般意志”的评语。不过,当美国记者问他觉不觉得自己固执的时候,他像个小孩子一样摇头,而实验室里与他共事多年的研究员们,全都笑了起来。
“最重要的责任是不能有错,因为出错以后,没办法让人来检查和校对”
在从2004年就跟丁肇中合作实验的程林眼里,私底下的丁肇中非常安静,不管得到多么颠覆性的研究数据都不爱张扬,也不常跟他的圈子相处,保持着“适当的孤独”。闲下来的时候,他喜欢读读历史,看看新闻,有时候也会跟程林聊聊《水浒传》。
但是,当他出现在公众视野里的时候,这个物理学家极少提及物理学以外的话题,即便是在这次的新闻发布会上,对于那些他不能百分之百确定的问题,他绝不评论。
“不做实验,你可以说东,我可以说西,根本不知道怎么回事情,所以我的意见和街上小孩的意见是一样的。”丁肇中说。
这位以严谨著称的物理学家说,他第一次到NASA报到的时候,NASA的负责人跟他足足聊了3个小时。临走的时候,这位负责人还特意对他说,跟宇宙打交道不容易,“太空可不是好惹的”。
“我当时没听懂,花了10年时间才理解了这句话。”丁肇中说,“在这里你犯了错,不是叫个研究生帮忙收拾下残局就能解决问题的。”
所以,他说自己常常半夜醒来,脑子里装满了怀疑――实验设计是不是有问题?设备数据是不是准确?还有哪些测试没有做?磁谱仪里有4000块小磁铁,飞出来的话可能把航天飞机打破,那就出大事情了!
“我想今后50年里面,不可能有人再做这么大、这么困难的实验了。所以我跟我们所有的科学家说,最重要的责任是不能有错,因为出错以后,没办法让人来检查和校对。”丁肇中对亲赴日内瓦采访的北京科技视频网记者说,“所以我总是对自己说,最好检查一遍,再检查一遍。”
一个美国记者问他,为什么要坚持寻找一个不见得存在的东西?这件事情为什么这么重要?你已经获得了一次诺贝尔奖,还要拿第二次吗?
“诺贝尔奖现在已经有个不成文的传统,一个人不会两次获奖,所以我不必担心。”丁肇中说,“我拿诺贝尔奖的时候还比较年轻,40岁,所以没有停下来的必要。我唯一有兴趣的就是做我的实验,别的事情都没有兴趣。我只是想满足好奇心,而为名为利学物理是很危险的事。”
于是,在日内瓦的新闻发布会上,丁肇中拒绝回答一切跟“猜测”有关的问题,暗物质是不是存在,什么时候能发现暗物质,还看到了哪些初步数据,他都缄口不言,着急的人们只好问他,你什么时候能知道答案呢?123456123456