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陆锦标:研究本质上是智力活动

当陆锦标提出在中国做实验的时候,王贻芳作为有过利用核反应堆做中微子实验经验的人,成为了合作的不二人选。虽然在大亚湾实验刚开始设计的时候,法国的Double Chooz实验和韩国的RENO实验就已经开工,但陆锦标和王贻芳领导的大亚湾中微子实验后来居上,最终凭借着极好的实验设计拔得头筹。
研究中微子有什么意义?开展大亚湾实验时遇到了哪些困难?11月17日,陆锦标接受《知识分子》专访,谈了谈他和中微子的故事。
 
撰文 | 夏志坚
编辑 | 金庄维
 
11月17日的北京已进入冬季。周日上午八点半,平日熙来攘往的国贸现在只有零星的路人,这个北京最繁忙的地区之一在经过一周的“紧张工作”后,也终于在寒冬里睡了一个懒觉。
 
不过,坐落于国贸的中国大饭店的大堂此时已经人头攒动,66岁的陆锦标也已经毫无睡意,这位加州大学伯克利分校物理系教授在这一天里需要接受采访、演讲、参加媒体见面会、颁奖典礼和晚宴,从早到晚的时间被安排得满满当当。
 
之所以从温暖又阳光明媚的美国加州不远万里来到寒冷而又弥漫着雾霾的北京,度过一个忙碌的周末,是因为陆锦标和多年的合作者、中科院高能物理研究所所长王贻芳一同获得了2019未来科学大奖物质科学奖,而11月17日正是颁奖典礼举办的日子。
 
未来科学大奖是2016年由科学家和企业家群体共同发起的中国首个非官方科学奖项,目前设置了“生命科学”、“物质科学”和“数学与计算机科学”三个奖项,单项奖金100万美元,用以奖励在大中华区做出杰出科技成果的科学家(不限国籍)。
 
2019年的“生命科学奖”和“数学与计算机科学奖”各只有一位获奖者,而陆锦标和王贻芳则因为在大亚湾实验中合作发现了第三种中微子振荡模式,共享“物质科学奖”。
 
中微子作为一种基本粒子,在大爆炸之后不到1秒内,就已经在宇宙中形成,并于此后在恒星的核聚变反应和放射性物质的衰变过程中被源源不断地制造出来。
 
中微子因此无处不在 [1] ——就在你看这篇文章的时候,已经有成千上万的中微子穿过你的身体。但你不会有任何感觉。这是因为中微子质量极其微小(小于电子质量的百万分之一 [2]),且不带电荷,只能通过弱相互作用与其他粒子发生“反应”。由于弱相互作用只在极短的距离内(10-17〜10-16米)才起作用,因此中微子能够穿过许多物体而不会与它们发生作用 [1-3]。
 
“中微子是很小的粒子,它是一个不喜欢跟别人交流的东西。” 在11月17日的获奖者演讲中,陆锦标这样说道。
 
由于异常“害羞”,尽管1930年沃尔夫冈·泡利(Wofgang Pauli)就预言了中微子的存在,直到1956年美国科学家克莱德·科温(Clyde Cowan)和弗雷德里克·莱因斯(Fred Reines)等人才在萨凡纳河(Savannah River)核电站中发现了中微子存在的踪迹——他们发现的是电子中微子 [4-5]。
 
在这之后,欧洲核子研究组织(CERN)和斯坦福线性加速器中心(Stanford Linear Accelerator Center)又先后于1962年和1975年发现了另外两种中微子:μ中微子和τ中微子 [4]。
 
所谓中微子振荡,就是电子中微子、μ中微子和τ中微子在以近乎光速飞行的过程中的互相变换,或者说,振荡。科学家用三个混合角来描述中微子相互转化时的振荡幅度,分别是θ12、θ23和θ13 [2]。
 
1998年的超级神冈实验和2001年的SNO实验先后测出θ12、θ23的大小,但是θ13却迟迟没有被测量,因此很多国家的实验项目都对θ13虎视眈眈。陆锦标在2000年前后刚开始设计大亚湾实验的时候,法国的 Double Chooz 实验和韩国的RENO实验就已经开工 [6]。
 
不过陆锦标和王贻芳领导的大亚湾中微子实验后来居上,最终凭借着极好的实验设计拔得头筹。2011年12月才完成探测器建造与安装的大亚湾中微子实验,在三个多月之后的2012年3月8日下午2点15分便在北京宣布,发现第三种中微子振荡,振荡幅度为0.09 [7-8]。
 
研究中微子振荡有什么意义?根据粒子物理标准模型的预言,中微子没有静止质量,然而中微子振荡的发现表明中微子实际上具有质量,尽管极其微小,这意味着标准模型存在局限。笼统来说,中微子振荡打破了粒子物理标准模型的预言,对于我们了解质量的起源,理解宇宙中为什么物质远远多于反物质具有非常重要的意义。
 
在《科学》公布的2012年度十大科学突破中,大亚湾实验凭借发现中微子第三种振荡模式上榜。《科学》在上榜理由中这样写道:
 
数百名在中国大亚湾反应堆中微子实验中工作的研究人员报告了一个模型的最后的未知参数,该模型描述了被称作中微子的这种难以捉摸的粒子在以接近光速穿行时,如何从一种类型或“特色”变形为另一种类型。这些结果显示,中微子和反中微子可能会以不同的方式改变其特色,并提示中微子物理可能有朝一日帮助研究人员解释为什么宇宙含有如此多的物质及如此少的反物质。如果物理学家无法发现超越希格斯玻色子的新粒子,那么中微子物理可能会代表粒子物理学的未来。 参考资料[9]
 
由于在发现第三种中微子振荡上的巨大贡献,陆锦标在2014年获得了在实验粒子物理领域有着极高声誉的潘诺夫斯基奖(Panofsky Prize),2016年获得科学突破奖(Breakthrough Prize),今年又获得未来科学大奖 [10]。
 
在未来科学大奖的颁奖典礼上,这位头发已经花白的物理学家用带着香港口音、仍然有些生涩的普通话感谢了一路以来对自己给予帮助的家人、同学、老师和合作伙伴。
 
“大亚湾实验的成功不是一两个人可以做出来的,它的成就要归功于一队很能干的国际科技人员的努力,这个奖是应该属于他们的。我也很高兴能够和王贻芳所长合作发展这个实验。这个实验的突破是我科研生涯的一个高峰。”陆锦标动情地说到。
 
11月17日上午,陆锦标接受了《知识分子》专访。出人意料的是,采访过程中,陆锦标告诉《知识分子》,他走上研究道路可以说是一场“意外”。当初抱着试一试的心态从香港高中离职去美国罗格斯大学念博士的他,或许不会想到自己在30多年后攀上了科学的高峰。
 
以下为采访内容。
 

1 没人能够保证研究的结果
 
《知识分子》:中微子被称为“幽灵粒子”,非常难以琢磨。你为什么选择中微子作为自己的研究领域?
 
陆锦标:我之所以对中微子物理学感兴趣,原因就在于你刚刚说的。
 
我们有时候把中微子称为“幽灵粒子”,因为它非常难于被检测到,研究中微子的性质非常难,所以我们对中微子所知甚少,因此花时间去研究中微子是什么是件很自然的事情。对于中微子,我们还有很多不知道的地方,对于研究者来说,这是一个完美的领域。
 
《知识分子》:这无疑是选择了一个非常难的问题来研究。你是如何平衡职业上的要求和自己的研究兴趣?你知道有些研究机构有文章发表的要求。
 
陆锦标:你必须要明白美国的学术体制和中国的完全不一样。在美国,我们不是只看教员发表了多少篇论文来作为晋升的考量,我们也不会考虑在《自然》、《科学》这些出版物上发表了多少篇论文。
 
我自己曾同香港大学理学院院长(Dean of Science)开过一个玩笑,我说:“如果你看我发表的论文清单,我只在《自然》上发表过一篇文章,我从没在《科学》上发过论文,所以在中国,我不会得到晋升。”你可以看到其中的差别。
 
在美国,他们强调的是研究者的品质(quality of individual),而不是发表的论文数量或者论文发表的刊物。
 
《知识分子》:那你曾经有担心过自己花了那么多时间精力研究中微子,最后可能得不到自己想要的结果吗?
 
陆锦标:没有过,这不是研究应该关心的事情。研究本质上来说是智力活动,没有人能够保证研究最后能够得到好的结果。
 
我可以告诉你,当我受聘为伯克利教员的时候,我在领导另外一项名为E756的实验,那是全球第一次测量到Ω-超重子的磁偶。我利用E756来开发后来超重子衰变(hyperon decays)中的CP破坏的实验。虽然我们没有观察到任何CP破坏的发生,但是物理学界认为这是该领域里最好的实验之一。
 
所以,没有观察到什么并不意味着失败。在美国,我们不会把这看作失败,我们只关注过程、关注科学家——在实验的执行层面,这个人是不是一个好的研究者,他有没有潜力开创新的研究。
 
2 CP破坏与中微子未解之谜
 
《知识分子》:你刚刚提到了CP破坏。对于普通人来说,CP破坏其实很难理解,你能解释一下CP破坏和物质-反物质不对称性吗?
 
陆锦标:CP对称的物理含义是粒子的行为和其反粒子的行为是一致的。然而,有些时候我们发现粒子的行为和其反粒子的行为非常不同,比如K介子衰变(kaon decay)或者B介子衰变(B meson decay)。
 
当粒子衰变为别的粒子的时候,有时候可以通过不同的方式得到相同的衰变产物。由于有不同的几率通过不同方式得到同一种衰变产物,这就是粒子和反粒子行为差异的一种表现。另一个例子是中性K介子衰变能够直接打破CP对称。简单来说,CP破坏就是物质的行为和反物质的行为不一样。
 
我们知道宇宙被物质所统治,因为某些原因,没有反物质。为了理解这个问题,俄罗斯的安德烈·萨哈罗夫(Andrei Sakharov)教授很久以前得出结论,说我们需要三个条件来解释为什么现在的宇宙是被物质统治的,其中一个条件就是CP破坏。如果物质和反物质行为一样,便无法解释为什么我们只有物质。
 
《知识分子》:关于中微子我们还有什么不知道的吗?
 
陆锦标:当然,关于中微子我们仍然有一些问题不清楚。
 
首先,通过中微子振荡,我们知道中微子具有很微小的质量,但是我们不知道“微小”到底是多小,我们不知道中微子质量的精确值。这是我们需要明晰的重要问题之一。
 
还有就是我们刚刚谈过的CP破坏,我们不知道中微子振荡和反中微子振荡是否不同,这是一个问题。
 
第三个问题就是,现在我们还不知道三种中微子的质量m1、m2、m3的排列,我们不知道m3是最重的中微子还是最轻的中微子,这就是我们所说的“质量顺序(mass ordering)”问题。王贻芳教授领导的江门中微子实验(JUNO)项目正在试图解决这个问题。我也正在参与一项名为“深层地下中微子实验(Deep Underground Neutrino Experiment,DUNE)” 的项目,试图回答这个问题,这是一个美国主导的项目,美国能源部希望美国的每个成员都能有所帮助,因此绝大多数美国研究中微子的团队都在参与DUNE的工作。
 
还有一个问题是中微子是所谓的 “狄拉克型”(Dirac type),还是“马约拉纳型”(Majorana type)?如果中微子是“狄拉克型”,这意味着中微子和反中微子是两种不同的粒子;如果是“马约拉纳型”,那中微子和反中微子就是一样的,就像光子一样。这也是我们想解决的另一个非常重要的问题,这关系到中微子理论模型的建立。
 
3 大亚湾实验与中国中微子未来
 
《知识分子》:你当初是因为什么原因决定同王贻芳教授合作开展大亚湾实验?
 
陆锦标:我是在贻芳回到中国前认识他的。当他还在美国的时候,我们一起参与了一项名叫 “KamLAND” 的日本实验,他在斯坦福,我在伯克利,我们所在的两家研究机构实际上有合作交流。
 
当我提出在中国做实验的时候,贻芳可能是唯一一个有过利用核反应堆做中微子实验经验的人。因为他在美国做博后的时候,进行了一项名为 “Palo Verde” 的实验——这也是一座位于亚利桑那州的核电站的名字——所以他有这方面的经验。因此,当我提出这项实验的时候,很自然地就决定和贻芳一起考察实验的可行性,因为我们曾在 KamLAND 合作过,所以在一起工作、商讨是很自然的。
 
《知识分子》:所以王贻芳教授当时是你唯一的选择?
 
陆锦标:在那个时候是这样的。
 
《知识分子》:当你们在做这项卓越的实验的时候,有没有遇到什么困难?
 
陆锦标:当然,我们有遇到过挑战。
 
在一开始的时候,为了说服两国政府支持这项实验是一个挑战。我想中国政府之所以支持这项实验,很大程度上离不开李政道教授,他起了非常重要的作用。在美国,令我意想不到的是,很容易就获得了美国能源部的支持,能源部还让其他美国的团队加入我们一起进行这项实验。
 
如何建立合作关系是另一项挑战。最初我和贻芳曾试图吸引欧洲的合作者,但是失败了。那一段时间,我们有点失落,我们怎样才能建立合作关系来让实验进行下去?
 
另外一个挑战是,如何说服核电站让我们使用它们的空间来进行实验。当我们说服中国政府支持大亚湾实验之后,中国政府就直接命令大亚湾核电站支持这项计划。
 
《知识分子》:你刚刚谈到中美之间的合作。从去年开始,中美关系出现了一些麻烦,从你个人的经验来说,这是否影响了粒子物理研究的国际合作?
 
陆锦标:的确,目前中美关系处在低谷,这对合作的形成造成了许多不便,正在对科研合作造成伤害。不只是在科研领域,在许多不同的领域都是如此。对此我没有办法。在美国,许多科学协会已经向美国政府表达了担心,让美国政府意识到国际合作的重要性,然而,我们不知道美国政府是否会转变想法。
 
对我个人来说,幸运的是,大亚湾实验已经几近结束,因此不像新发起的项目那样令人担忧。现在我正在DUNE工作,这是一个完全基于美国的项目,所以我没有遇到任何问题。另外,DUNE实验由欧洲和美国的团队主导,在这一点上,目前欧洲和美国的关系还好,所以现在还没有合作方面的担心。
 
《知识分子》:日本在中微子研究领域已经多年处于世界领先的位置。在这一领域,中国未来是否还有机会?
 
陆锦标:绝对有机会。我认为中国已经通过大亚湾实验在中微子物理领域构建了很好的基础。我想说,在中微子物理领域,中国仍然有空间发挥重要的作用,因为JUNO完全有潜力做一些与中微子物理有关的非常好的测量,这方面并没有日本的竞争,因为日本现在想做的和JUNO不一样。
 
4 去美国做研究是一场“意外”
 
《知识分子》:在去美国念博士之前,你曾在香港高中担任物理老师。你当初为什么放弃香港的教职而做出了去美国做研究的决定?
 
陆锦标:我在香港大学毕业以后,没有考虑做研究,有几个方面的原因。
 
一个是因为那个时候香港大学基本上没有做研究这回事,主要是教学,所以我对研究没有什么大的概念。
 
还有一点,我们年轻的时候可能都有同样的问题,就是我的朋友做这个事情,我想我也应该做差不多的事情。那个时候物理、数学还有化学,这些科学的专业在香港毕业以后,一般都是做老师,所以对我来说,很自然地毕业就去教课、教中学。
 
那时香港大学跟英国的大学一样是三年制,而我有很多中学的同学去了加拿大、美国念大学,所以我比他们早一年毕业。于是大家就互相通信,讨论“你在干什么”这些问题。
 
其中有一个同学问我:“你有没有考虑来美国做研究?”
 
我说:“我没有考虑过这个。”
 
交流一会儿以后,他说:“你还是应该来美国念书。”
 
我说:“我没钱。”
 
他说:“没关系,念物理的话,美国的大学一般都会给奖学金,还可以通过做助教挣生活费。”
 
我说:“那这样子,假如人家给钱的话,好吧。”
 
我就这样去了美国了。哈哈。
 
《知识分子》:所以那个时候你对研究实际上没什么概念?
 
陆锦标:没什么概念,但也不是说完全没有,因为香港大学那个时候有个很好的制度,就是我们要做一个本科的论文才可以毕业。我那时就选了一个题目,跟一个教授做一点小研究,在这个过程里,我就发现,做研究挺好玩。所以我就大概知道做研究是怎么一回事,但也不是说我坚持一定要做,还没有到这个地步。
 
《知识分子》:所以当初去美国就抱着试一下的心态去的?
 
陆锦标:对,完全是这样,哈哈。
 
5 坚持梦想,耐住寂寞
 
《知识分子》:你成长的家庭家境并不宽裕,当你在港大上学的时候,选择粒子物理而不是其他更为实用的学科作为自己的专业,你的父母是什么态度?
 
陆锦标:我成长的时候是上世纪50年代、60年代,那时香港普遍的生活水平都是挺低的,所以我很多同学都跟我一样,家庭环境不是很富裕。
 
我的爸爸不怎么管我,但是我的妈妈要求比较高。那个时候,她跟一般的父母一样,希望我可以念医学,将来赚多一点钱,我对医学有兴趣,但是我没有感觉我必须要做医生。
 
念大学的时候,因为香港大学是英国的制度,我们想干什么就干什么。那个时候我不是常常上课的,很多时候我都在图书馆看专业的杂志和报告这些东西。所以可以说我不是一个好学生,哈哈。
 
回过头来看,这个对我后来做研究的方面影响挺大的,因为我很早就大概知道每个领域的发展,有什么好玩的东西,
 
《知识分子》:你高中毕业刚进入港大的时候,是选择物理作为专业吗?还是医学作为专业?
 
陆锦标:我念大学的时候,香港大学的制度刚好有点改。我们本科第一年基本上不需要决定专业,只是分成了 physical science,跟物理有关的科目,有化学、物理、数学;另外一个就是生物的科目。因为中学最后两年我是跟着 physical science 授学,所以我进大学的时候,还是选的这个方向。
 
我记得那时我的化学成绩是比物理好的,所以我进香港大学的时候,我以为我会选化学的。但是后来,第一年开始学量子化学,我就发现我们以前念的东西,基本上量子力学可以完全解释的,我才发现物理比化学好,因为很多东西我不用去记,只要我明白原理就行了。
 
那时在香港大学念完第一年,就需要决定自己的本科专业是什么了。所以我第一年完了之后,就决定我应该学物理。
 
《知识分子》:所以你当时没有按照父母要求去学医学,后面是怎么跟自己的母亲交待的?
 
陆锦标:过了一阵子,他们也没办法,哈哈。
 
《知识分子》:如果你面对一个家境不好但对基础科学研究充满热忱的年轻学生,你会给他什么样的建议?
 
陆锦标:我想还是要坚持自己的梦想。因为不管我们做什么事情,假如我们对某件事没有兴趣没有热情的话,绝对做不好的,这只会带给我们自己痛苦,永远都不开心的。这样的生活是不经常的。
 
对于家庭条件不是特别宽裕的学生,我想还是不应该放弃。我念完大学,做了一年工作,才回到研究方面,所以我想机会是存在的,最重要就是要看机遇是怎么样的。
 
《知识分子》:回顾自己的学术生涯,你认为做研究最重要的品质是什么?
 
陆锦标:第一个必需的条件就是对你做的事情要有热情,假如你做得不开心,绝对坚持不下去。
 
当然做研究有一个大问题就是很多时候我们问的问题是没有答案的,因为我们就是要找这个答案。很多时候,你要花一两天;有些时候要一两个星期;有可能几个月、几年,你还没有找到答案,所以坚持是很重要的。
 
有时候是很寂寞的,因为没有人可以理解你做的事情。要耐得住寂寞,因为我们要解决的问题和一般人的生活是没有关联的,所以很多时候你遇到问题,也没有人可以跟你讨论,帮你解决,所以要有心理准备。
 
我感觉现在年轻一代都希望很多东西赶快做出来,有一个答案,但问题是研究不是这么简单的。刚才说的一些问题,需要很长时间才可以找到答案。
 
《知识分子》:所以对年轻的研究者来说,最重要的就是要有热情,要持之以恒,还要耐得住寂寞?
 
陆锦标:对。
 
参考资料
 
[1]www.astro.wisc.edu/~larson/Webpage/neutrinos.html
 
[2]http://www.xinhuanet.com/2017-01/09/c_1120273177.htm
 
[3]https://en.wikipedia.org/wiki/Weak_interaction
 
[4]https://en.wikipedia.org/wiki/Neutrino
 
[5]https://en.wikipedia.org/wiki/Cowan%E2%80%93Reines_neutrino_experiment
 
[6]http://zhishifenzi.com/news/multiple/7549.html
 
[7]http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2019/5/426785.shtm
 
[8]http://www.ihep.cas.cn/dkxzz/juno/kpyd/201503/P020150302604342579550.pdf
 
[9]http://www.cas.cn/zt/kjzt/neutrino/yw/201212/t20121224_3727383.shtml
 
[10] https://en.wikipedia.org/wiki/Kam-Biu_Luk
 
文章来源于赛先生
 
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