丁肇中（1936年1月27日-）和伯顿·里克特（Burton Richter，1931年3月22日—2018年7月18日）。图源：https://www.symmetrymagazine.org/
导读：
1974年的11月11日，丁肇中告诉里克特：“我新发现了一些有趣的物理想告诉你。”里克特说：“我也新发现了一些有趣的物理想告诉你。”
二人把结果展开一看，居然做出的是同一个发现。
瞿立建 | 撰文
1974年11月16日，布鲁克海文国家实验室的丁肇中团队和斯坦福直线加速器中心的伯顿·里克特团队，宣布其分别领导的两个不同的研究团队，在两个不同的加速器上，用两种不同的方法，分别独立发现了同一种粒子。
这个新发现的粒子，丁肇中称之为J粒子，里克特称之为ψ粒子，后来被合称为J/ψ粒子。这一成果两年后便得到了诺贝尔奖，是获得诺奖最快的成果之一。这一发现，在粒子物理学历史上，也被称为“十一月革命”。
回看这段历史，丁肇中差点错失此发现的优先权而无缘这次诺贝尔奖，实际上他当年还有机会独享优先权，有可能会独享诺贝尔奖。
丁肇中的惊险时刻，发生在1974年11月11日，星期一。
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1.上马新项目
1965年，丁肇中任教于哥伦比亚大学。那个时候，哈佛大学和康奈尔大学的两个研究组称，他们各自的实验都表明，量子电动力学是错误的，证据是电子是有体积的。
丁肇中决定设计更细致的实验，用不同的方法来测量电子的半径，以检验量子电动力学是否正确。
丁肇中在德国电子同步加速器 （德文: Deutsches Elektronen Synchrotron，简称DESY） 上奋战了8个月，发现电子是没有体积的，其半径小于10^-14厘米，否定了哈佛大学和康奈尔大学的实验结果，验证了量子电动力学的正确性。这一工作初步奠定了他在粒子物理学中的地位。
丁肇中的实验证明量子电动力学是正确的，电子没有体积。这一工作捍卫了量子电动力学。图源：科学人
1967年，丁肇中被挖到麻省理工学院任副教授，两年后升任教授。1970年，丁肇中感觉，自己已将DESY的潜力挖掘殆尽，并且自己也好似被几年的高强度工作掏空，被诊断患上了神经衰弱，决定休一年的学术假，放空身心，陪伴家人，在轻松的状态下，规划下一步的工作。
休假结束后，1971年春，丁肇中满血归来。
当时，物理学界认为，所有的粒子都是由3种夸克组成。丁肇中希望搞清楚，为什么宇宙中只有3种夸克。他雄心勃勃地决定设计一个高灵敏探测器，但现实给他泼了一头冷水，他的研究计划项目书被欧洲核子研究中心拒绝，也被费米实验室否定了。他做了一年的说服，试图挽回他的项目，最终没能成功。
1972年1月，他向布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory，简称BNL）提出一个较“常规”的项目计划书，寻找质量更大的新粒子，这次获得了批准。
丁肇中的新项目意在研究质子与原子核碰撞中产生的粒子对——尤其是正负电子对，难度非常高，因为碰撞会产生强烈的“垃圾背景”——几十亿各种粒子，丁肇中要在其中找到寥寥几例正负电子对。
丁肇中拿着项目计划书寻找合作者，对方都摇头以对，表示抛开实验不谈，单单实验所要求的极端的精度就不可能达到。还有人说，加速器和探测器已经够昂贵了，丁肇中如此要求的精度是无谓地增加成本。有人还劝他放弃这种几乎没有希望的实验。丁肇中坚定地说，即使它是波士顿雨季里下落的一颗带颜色的雨滴，我也要把它找出来。
找不到合作者，丁肇中只得带领自己的团队单干。
布鲁克海文国家实验室(BNL)的交变梯度同步加速器鸟瞰图。丁肇中团队在该装置上发现了J粒子。图源：Flickr
丁肇中团队克服重重困难，到1974年7月中旬后，终于开始了正式实验。9月4日，第一阶段实验结束。实验进行的同时，数据分析工作同步开展中。
历史上，由于各种原因，比如计算机bug、个人偏见等，数据会给研究人员呈现虚假的结果，让人空欢喜一场，如果还将虚假结果当作重大发现报道出来，会导致声誉受损。当然，也有可能让人错失重大发现。
丁肇中一贯将团队一分为二，互不沟通，分别独立进行数据分析。
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2.隐藏的竞争对手
在丁肇中团队研究强子碰撞产生正负电子对的同时，里克特领导的斯坦福大学和加州大学伯克利分校的联合团队，正在研究相反的过程，即正负电子碰撞产生强子。
1974年7月，基于过去一年在SLAC国家加速器实验室的斯坦福正负电子加速环（Stanford Positron Electron Accelerating Ring，简称SPEAR）上的实验数据，里克特团队整理出论文初稿，结论是没有发现新粒子。
SLAC国家加速器实验室的Logo和鸟瞰图。图源：wikicommons
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3.新粒子初现端倪
1974年9月10日，丁肇中让两个数据分析小组报告结果，貌似发现一个质量约为3GeV的新粒子，但不敢确定。这是不是计算机bug造成的假象？
丁肇中请求BNL尽快再给安排8周的加速器机时。他表示，自己的经费快用完了，急需一些有意义的结果去申请更多经费。BNL方面给了丁肇中团队6周的机时，其中3周安排在10月末和11月初。
进一步的实验进行之前，两个小组的数据分析依然在独立进行。他们细致检查计算机程序，确保没有bug，然后用各种不同的方法核验数据。
10月13日晚，丁肇中团队组会上，两个小组都确认，确实发现了一个新粒子，质量为3.1GeV。
丁肇中团队发现新粒子的数据图。图源：The Hunting of The Quark。在粒子碰撞实验中，粒子相互作用面积或碰撞产物的生成量对碰撞粒子能量作图，峰值称为共振峰，是某种粒子存在的证据。
丁肇中告诉大家，务必严格保密，准备做进一步的实验，如果结果成立，争取在感恩节（11月的第四个周四）之前发表。
几天后，麻省理工学院举行著名理论物理学家维克托·魏斯科普夫（Victor Weisskopf，1908年9月19日—2002年4月22日）的退休仪式，来自世界各地的众多物理大佬与会。丁肇中原本考虑在这个盛大的场合宣布他的发现，不过，他很快打消了念头，担心万一数据错了，自己就尴尬了，再考虑自己多个实验都是指出别人的错误，这帮助自己建立了声誉，但也树敌太多，也许很多人等着看自己犯错呢。丁肇中决定谨慎为先，继续保密。
丁肇中还是在私下与几个密友分享了自己的发现，也给李政道展示了自己的数据图表。不过，即便对于李政道，丁肇中也有所保留，没有展示最好的数据。
10月20日，丁肇中和团队成员飞抵纽约，准备BNL新的实验。
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4.里克特团队发现可疑数据
里克特团队的论文被各种事情耽误了，直到10月，依然还没有完成。他们应该感谢这次耽搁。
他们这时发现，数据分析计算机程序有bug，于是决定将数据重新分析之后，再完成那篇平淡的论文。
Roy F. Schwitters (1944年6月20日 – 2023年1月10日)，他对数据的分析和解释，让里克特领导的团队洞察到一个新粒子的存在。图源：wikicommons
10月中旬的一个晚上，斯坦福正负电子对撞环负责人Roy Schwitter 静静坐在家里的书房，整理数据。他发现有两组数据远远偏离“正常值”，一般研究人员会将之舍弃，但是他感觉没有理由这么做。
10月22日，里克特团队组会上，Schwitter提出他发现了两组可疑数据，要求做进一步的仔细检查。
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5.秘密泄露
10月22日，布鲁克海文国家实验室，与丁肇中竞争机时的斯坦福大学教授梅尔文·施瓦茨（Melvin Schwartz）从中国访问归来。他是文革开始后最早访问中国的美国科学家之一。他的助手告诉他，丁肇中的课题组发现了一个新粒子，质量比3GeV大一点。这位助手知道这件事是因为她正与丁肇中组的一位成员拍拖中。
梅尔文·施瓦茨（Melvin Schwartz，1932年11月2日—2006年8月28日，1988年诺贝尔奖得主），图源：Flickr
施瓦茨马上明白了，实验室为什么把自己的机时匀给丁肇中。
施瓦茨是个爱凑热闹的人，他马上去找到丁肇中：“丁，我听说你在3GeV附近找到一个尖锐的峰？”
丁肇中立即否认，连称没有啊，别瞎说。
施瓦茨说，我给你赌10美元，你在3GeV附近找到一个尖锐的峰。丁肇中说你赢了。丁肇中在办公室白板上钉上备忘贴纸：我欠施瓦茨10美元。
丁肇中继续要求组里成员做好保密工作，但是已经晚了，施瓦茨到处宣扬，丁肇中发现了奇怪的东西。
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6.高人在场，识破发现
马丁·多伊奇（Martin Deutsch，1917年1月29日—2002年8月16日）参加研制原子弹的曼哈顿计划的证件照。图源：wikicommons
10月22日，麻省理工学院（MIT），丁肇中团队一个成员向MIT的核科学实验室汇报工作。报告者故意将3.1GeV处的尖锐的峰画成平滑的一个凸起。他差点就混过去了，但没有骗过实验室主任马丁·多伊奇（Martin Deutsch，1917——2002）。
汇报结束之后，报告者来到多伊奇办公室，向他展示了真正的实验结果，请他保密，并请他帮忙将这一发现迅速发表。多伊奇欣然同意。
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7.丁肇中重启实验
10月22日晚，丁肇中重启实验，验证他们的结果。 通常的话，一两天就可搞定，只要看看新的数据是不是和旧的数据一致即可。 丁肇中的团队忙活了一个星期。 他们反复确认各种细节，就好像是第一次开机做这个实验一样。
丁肇中要求除了重复9月份的实验，还要求用几种新的方式收集数据。
10月末，数据分析完成，所发现的峰依旧在。
丁肇中的成员们兴奋不已，开始动手写论文初稿，多伊奇也多次打电话来，催促他们快速完成论文。丁肇中却要求大家稍安勿躁，继续收集和检验数据。
到了11月初，丁肇中团队已经确信他们发现了一个新粒子，丁肇中本人也没有任何怀疑了，他还专门打电话给自己的女儿，分享这一新发现。大家觉得，论文总该开始写了。丁肇中依然不让大家写。
丁肇中是个极端细致的人，容不得自己犯错。他以否定别人的实验而闻名，绝不能让自己成为被别人否定的人。
丁肇中认为，这个新粒子可能是一类新粒子，应该把同类粒子找全，之后再写论文。
丁肇中以前的实验都可通过现成的理论进行解释，然而这个新粒子暂时没有理论解释，这个事情让他困惑。
最后，丁肇中相信他的这一结果不会被人抢发，3.1GeV处的峰非常尖锐，其他加速器装置如果不特意在此处寻找，不可能发现这个峰。
丁肇中向前不久退休的同事魏斯科普夫教授展示了自己的发现，魏斯科普夫催促丁肇中尽快发表，不要再拖延了。
丁肇中这次听进去了。11月6日，他拜访《物理评论快报》期刊的主编George Trigg的办公室，咨询有没有可能绕过常规审稿程序快速发表。Trigg告诉他，可以的。
丁肇中返回后，让大家尽快写出论文。
丁肇中与同事，以及显示大约3.1 GeV 事件的图片。图片来源：布鲁克海文国家实验室
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8.里克特团队确认新粒子
丁肇中在做新的实验的时候，里克特团队的Schwitter也在反复核验他们的数据。 11月初，Schwitter确信，数据没问题，实验过程和设备没问题，结论只能是，3.1GeV处有新的物理。
11月4日和5日，里克特团队开会讨论。Schwitter要求重做实验，确认3.1GeV处是不是有新的物理。
不巧的是，斯坦福正负电子加速环在夏天已升级至5GeV的能量，要退回到3.1GeV不是易事。作为团队领导人、SLAC国家加速器实验室主任，伯顿·里克特认为，高能物理应该往高能做，不应该再纠缠在3GeV能量下的事。
整个团队整整讨论了一个星期，最终在周五，里克特被说服了，要求团队成员在周末两天完成实验。
11月9日，周六，早8点，实验开始了。他们首先确认3.1GeV处的信号依然真实存在。随后在3.10至3.14GeV范围内不断细致调整正负电子束的能量，精确定位信号最强烈的位置。
实验控制室屏幕上能显示粒子碰撞事件中带电粒子轨迹。实验人员发现，正负电子束的能量从3.10GeV处每增大一点，屏幕上显示的粒子碰撞事件就明显增多。
11月10日，周日，当正负电子束的能量为3.104GeV时，屏幕上如烟花般灿烂，控制室所有人以手扶额，惊呼：“Oh my God! Oh my God!”
周日下午，实验者确定了正负电子束生成新粒子的反应最强烈的能量——3.105GeV。
实验者做出数据图，3.105GeV处的峰的宽度仅为几兆电子伏，如针一样矗立在那里。
里克特团队成员在紧张地分析数据。图源：https://cerncourier.com/
里克特的团队做出的图，峰清晰可见。图源：The Hunting of The Quark
消息很快传遍整个SLAC国家加速器实验室，大家都围拢到控制室，分享喜悦。有人提出开香槟庆祝，发现实验室香槟所剩不多，杯子也不够用，一些人赶忙出去买香槟和酒杯。
里克特问大家，新粒子如何命名。他提议，命名为SP，即斯坦福正负电子加速环的英文缩写SPEAR的前两个字母。大家对这个名字都不满意。
里克特问在场的一位希腊物理学家Leo Resvanais，还有哪个希腊字母没被用来命名粒子。这位物理学家对着字母表一路检查，发现字母 ——读作iota，约塔——还没被使用。里克特对这个字母不满意，因为这个字母还有“小东西”的意思，今天确认的新粒子注定首个伟大的发现。下一个还没被粒子占用的字母是——读作，psi，普赛。里克特觉得会与量子力学里的波函数相混淆。Resvanais说，这正好显示这个新粒子像波函数一样伟大。
新粒子发现的消息，当天傍晚就从从西海岸传到美国东海岸，晚上就跨越大西洋，传到了欧洲。
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9.丁肇中听闻斯坦福的发现
在斯坦福确认新粒子的那个周日的下午，丁肇中与BNL的一位粒子物理学家，Ted Kycia，正驱车去机场，前往斯坦福SLAC国家加速器实验室参加该实验室顾问委员会的会议。 在车上，同行的Kycia问丁肇中，他的团队发现了一个新粒子，这个传言是不是真的。 丁肇中斩钉截铁回答： 假得不能更假，一无所获，啥也没发现。
周日晚上，有个人探头向丁肇中团队值班办公室张望，好像在找人。这个人顺便对大家说，听说没，斯坦福的实验室在3.1Gev处发现一个共振峰，正开香槟庆祝呢。然后就走了，留下全办公室的人震惊不已，面面相觑，有人甚至留下泪水。
此时，丁肇中正在3万英尺高空的航班里看报纸。博士后吴秀兰（Sau-Lan Wu）马上给航空公司打电话，让乘客丁肇中落地之后，立即在机场回电话。
吴秀兰（Sau-Lan Wu，1940年5月11日—），华裔美国物理学家。图源：wikicommons
凌晨一点，丁肇中的电话来了，说他等天亮了就去SLAC核实一下。办公室里的人安慰自己，认为有可能是施瓦茨的人来搞的恶作剧。
凌晨两点，丁肇中刚在宾馆入住，接到了多伊奇的电话，多伊奇说，自己刚听说斯坦福方面刚发现了新粒子，感觉和你们发现的粒子是同一个。
丁肇中马上给SLAC的一位理论物理学家朋友打电话询问，对方说，确有此事，将于明天正式对外宣布。
丁肇中震惊了，自己可能是十年来最伟大的发现有可能被别人抢发，而这种局面却是自己的过分谨慎造成的。
丁肇中马上通知他的团队成员，所有人——不值班的同事也不要睡觉了——立即行动起来，准备明天正式宣布所发现的新粒子。
丁肇中用房间电话安排一项项任务，一个个电话也打进丁肇中的房间，吵得隔壁房间的房客——与丁肇中参加同一个会议的一位物理学家——也无法入睡，他还纳闷：一个物理学家为什么要连夜安排新闻发布会？
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10.丁肇中与里克特
当面交流彼此的发现
11月11日，早上8点，一夜无眠的丁肇中来到斯坦福SLAC主任沃尔夫冈·帕诺夫斯基（Wolfgang Panofsky，1919年4月24日—2007年9月24日）的办公室，向他展示自己团队的发现。 刚讲了片刻，丁肇中的竞争对手里克特来了，他来是为跟主任商议会议议程。
丁肇中与里克特。图源：SLAC国家加速器实验室
丁肇中马上跟里克特打招呼，并说：“我新发现了一些有趣的物理想告诉你。”里克特说：“我也新发现了一些有趣的物理想告诉你。”
二人把结果展开一看，竟然做出了同一个发现。
里克特从办公室出来之后，马上给Schwitter打电话，告诉他，丁肇中的团队也做出了他们的发现。Schwitter说，这个事情欧洲的朋友已经打电话告诉自己了。
SLAC顾问委员会的会议第一项议程，斯坦福方面正式宣布了他们新发现的粒子。丁肇中坐在会议室的后排，马上站起来说，自己的团队也独立做出了同样的发现。Schwitter回忆说，丁肇中面色苍白，说话结结巴巴，与他一贯自信、严厉的气质大相径庭。
中午，斯坦福的Schwitter就新发现的粒子做了正式的学术报告。报告厅里挤满了人，除了物理学家之外，还有实验室技术人员、秘书、保安、保洁等，都来见证历史。Schwitter看到这种情形，没有做传统的学术报告，而是即兴做了个科普报告。
Schwitter发言之后，丁肇中站起来——此时，他已恢复了镇定和往日风采，简明扼要地介绍了自己团队的发现。
会议室中所有人度过了一个难忘的时刻，见证了一个粒子两个发现的神奇事件。
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11.丁肇中突击投稿
丁肇中翘掉了剩余的会议议程，他在斯坦福SLAC找到一个空办公室，修改、定稿他们的论文。他给新发现的粒子命名为J粒子。
丁肇中连夜飞回了波士顿，次日——周二——下午，他恰赶在物理评论编辑部下班之前，亲自将论文打印稿送到。丁肇中知道，竞争对手的论文会在周三寄到编辑部。
丁肇中将论文送到之后，长出一口气，一番辛苦没有白费，自己的优先权，稳了。
《物理评论快报》却迟迟没有将论文发表出来。每过去一天，就有更多的物理学家知道这件事情。压力来到了《纽约时报》，因为他家的科学记者Walter Sullivan拥有他家该新闻的首发报道权。
Walter Seager Sullivan, Jr. (January 12, 1918 – March 19, 1996) ，美国杰出的科学记者和科学作家，首发报道了J/ψ粒子的发现。图源：https://www.nationalbook.org/
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12.联合记者会
Walter Sullivan是报道粒子物理新闻的最大牌的记者之一。
11月11日，丁肇中在斯坦福探听虚实的时候。他的同事、MIT退休不久的教授魏斯科普夫给Sullivan打电话，告诉他丁肇中发现了一个新粒子，是粒子物理界的大新闻。
魏斯科普夫还叮嘱Sullivan，在科学家正式公布和论文正式发表之前，千万不要报道，因为《物理评论快报》主编George Trigg有要求，拒绝发表先见报的成果。Sullivan表示同意，但提出，如果其他报纸如果也知道了这个消息，他将尽快见报。
Sullivan刚挂断电话，电话铃又响了，这次是丁肇中的一个学生打来的，告诉了他更多细节。
当天晚些时候，Sullivan又接到斯坦福方面的电话，被告知了粒子的发现。
Sullivan看到越来越多的人知道了新粒子的发现，很是着急，再拖下去，这个事情就没有新闻价值了。
丁肇中和里克特持续请求《物理评论快报》主编Trigg破例让Sullivan提前发布新闻，反正这个事情在业内几乎尽人皆知了。最终，Trigg同意了。
11月16日，周六，里克特和丁肇中举行联合记者会。
11月17日，周日，《纽约时报》头版报道了这一发现。
12月2日，《物理评论快报》正式发表了新粒子的论文，共三篇（Phys. Rev. Lett. 1974, 33, 1404; 1406; 1408），连续排在一起，前两篇依次为丁肇中和里克特两个团队的论文，第三篇来自欧洲。欧洲科学家风闻里克特的新发现之后，在意大利的对撞机ADONE上验证了新粒子的确存在，并初步研究了其性质。
新粒子的发现尘埃落定。
这个新粒子如何称呼呢？科学界觉得无论采用任一方命名的名称，都对另一方发现者的命名权不公平，因此将这个粒子并称之为J/ψ粒子。
1976年，丁肇中和里克特因J/ψ粒子的发现共享了诺贝尔奖。
1976年，诺贝尔奖得主合影，最左边两位为里克特和丁肇中。图源：https://www.telegraph.co.uk/
可以想见，在1974年，丁肇中如果没有过分谨慎，10月份便投稿和发表他们的发现，他可能会独享1976年的诺贝尔奖。如果他继续拖延至里克特团队之后发表，很难想象1976年的诺贝尔奖会如何分配。
当然，最后实际发生的，是一个皆大欢喜的结局。
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13.J/ψ粒子的发现：十一月革命
这个新发现的J/ψ粒子为什么令人兴奋？丁肇中为什么为保住优先权而不眠不休？
这个粒子太特别了。丁肇中和里克特在联合记者会上说：“这个新粒子与已知的粒子都不同，一定有某种新结构。”
J/ψ粒子特别在哪里呢？
J/ψ粒子的寿命为 7*10^-21秒。这个寿命在粒子物理学家看来非常长，是同类典型粒子寿命的1千倍。你要是在生活中遇见一个寿命达到1万年的人，吃惊不吃惊？
J/ψ粒子的质量比较大，是质子质量的3倍。一般说来，粒子质量越大，衰变的可能方式越大，寿命也就越短，而J/ψ粒子为何不遵守这种规律？
一定有什么东西抑制了它的衰变。物理学家知道，这意味着物质世界存在一种新的守恒量。
这个守恒量是什么？J/ψ粒子到底是个什么样的粒子？全世界的理论粒子物理学家行动起来，几乎每个人都提出一个想法。这一火热朝天的景象，久违了。
随着理论理解的深入，J/ψ粒子的意义逐渐清晰起来，帮助验证和完善了夸克模型。实际上，c夸克与反c夸克共同组成了J/ψ介子。
“在这个发现之前，物理学家认为夸克只有三类。因为三类夸克（上、下、奇异）可以解释当时存在的大多数物理现象。这个发现之后，夸克种类增加到了四类，后来又发现了第五类（下），接着又发现了第六类（上）。”丁肇中后来接受采访时表示。
J/ψ粒子发现之前，粒子物理基本是实验引导的。自此之后，粒子物理学的发展很大程度上由理论引导。J/ψ粒子的发现正是这一转变过渡期的一项重要发现。
“这一发现意味着我们对物理学的理解完全不完整。必须建立新的模型。这就是我获得诺贝尔奖的原因——主要是因为 J 粒子改变了物理学的基本概念。”丁肇中在2018年接受采访时解释说。
J/ψ粒子的发现被誉为粒子物理学的十一月革命，可谓实至名归。
参考来源：
[1] Michael Riordan, The Hunting of the Quark: A True Story of Modern Physics, 1987, Chapter 12
[2]安德鲁 ·皮克林，构建夸克：粒子物理学的社会学史，湖南科学技术出版社.2012年
[3]陈洁琦，淳麟，寻找带色的雨滴 : 丁肇中的科学风采，上海科技教育出版社. 2002年
[4]Andrew Grant， Recollections of the November Revolution. Physics Today. 8 November 2024 . DOI: https://doi.org/10.1063/pt.ozkw.bovf
[5]https://sciencesprings.wordpress.com/2018/04/07/from-university-of-michigan-qa-with-samuel-ting-nobel-laureate-and-michigan-engineer/
本文转载自《赛先生》微信公众号
《物理》50年精选文章