同窗好友情深！葉銘漢院士撰文賀李政道95歲生日

skysun000001 2021-11-24

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2021年11月24日，是李政道先生95歲生日。

96歲的中國工程院院士葉銘漢撰文，以同學(xué)、好友及合作伙伴的身份分享了他眼中的李政道。

李政道在1995年給北大學(xué)生的演講中曾引用杜甫的一句詩。葉銘漢認(rèn)為，這正是其物理生涯的最好寫照：

“細(xì)推物理須行樂，何用浮名絆此身。”

作者 | 葉銘漢

在政道95華誕之際，作為他當(dāng)年西南聯(lián)大的同學(xué)、半個(gè)世紀(jì)的好友及多個(gè)項(xiàng)目上的合作伙伴，和大家分享我所了解的李政道。

圖1 李政道

政道常說：“物理是我的生活方式?！?/section>

政道的研究領(lǐng)域，除了眾所周知的粒子物理與量子場論以外，還廣泛涉及天體物理、流體力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理、凝聚態(tài)物理、廣義相對論、相對論重離子碰撞等領(lǐng)域。

對于自己的每項(xiàng)研究，他都從最基本的原理和假定出發(fā)，從頭推導(dǎo)出所有必要的公式。政道非常善于和他人交流探討，但很少讀別人的學(xué)術(shù)文章。

對于別人的工作，他則著重了解其中的未知與未能之處，并常以別人尚不知不能的難題作為自己新的研究方向。

所以，一旦進(jìn)入一個(gè)領(lǐng)域，他便能不受已有方法的束縛，常常從全新的角度，很快得到別人沒有的結(jié)果，徹底改變這個(gè)領(lǐng)域的面貌 —— 路是自己重新開拓的，結(jié)果又是別人過去沒有得到的。

雖然政道從事的是理論物理工作，但他的理論物理生涯一直和實(shí)驗(yàn)室物理工作有著密切的聯(lián)系。他的博士論文導(dǎo)師費(fèi)米是頂級的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，同時(shí)又是杰出的理論物理學(xué)家。

從20世紀(jì)50年代以來，全世界高能物理實(shí)驗(yàn)的發(fā)展進(jìn)程中都有政道的足跡，高能實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家都和他有很深的友情。政道對實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)的關(guān)注和理解，是他能率先質(zhì)疑宇稱守恒定律并提出具體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方式的關(guān)鍵。

從20世紀(jì)70年代開始，政道又為中國的科學(xué)和教育事業(yè)傾注了諸多心血。

在他的推動下，促成了中美高能物理合作。北京正負(fù)電子對撞機(jī)和大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)室都是在中美高能物理合作框架下建成并做出重大發(fā)現(xiàn)的項(xiàng)目。

為了加快人才培養(yǎng)的步伐，促進(jìn)中國國際化教育科研體系的建立，在國家領(lǐng)導(dǎo)人的大力支持和國內(nèi)多個(gè)部門的積極配合下，政道發(fā)起并親自組織了中美聯(lián)合招考物理研究生項(xiàng)目（CUSPEA），建議并推動了博士后制度的建立和國家自然科學(xué)基金的成立。

中國高等科學(xué)技術(shù)中心（CCAST）建成后，不僅使中國學(xué)者得到了和國際一流科學(xué)家面對面交流的機(jī)會，也第一次讓大批國內(nèi)的物理學(xué)者在國際刊物上有了引人注目的地位。

隨后，北京近代物理中心、浙江近代物理中心、復(fù)旦大學(xué)李政道物理實(shí)驗(yàn)室和上海交通大學(xué)李政道研究所也先后成立。

經(jīng)中美聯(lián)合考試赴美學(xué)子，很多學(xué)業(yè)有成，逐步回國工作或定期回國講學(xué)。CUSPEA 學(xué)者們效仿政道，推動中國的教育與科研事業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)國際學(xué)術(shù)交流。

在這些世人有目共睹的進(jìn)步當(dāng)中，無不包含著政道的建議、推動和辛勤操勞。

直到十年前，政道仍然是個(gè)大忙人，經(jīng)常一天工作十七八個(gè)小時(shí)。每次回國更是繁忙。

國內(nèi)熟悉內(nèi)情的人常用“嘔心瀝血”來形容他的辛勞。不過，這一成語并未表達(dá)出他為科學(xué)，為自己血脈、親情所系的故土工作時(shí)的快樂感。

政道的興趣非常廣泛，對文學(xué)、歷史、藝術(shù)有很深的研究和體會，因此結(jié)識了很多著名藝術(shù)家，比如李可染、吳作人、吳冠中、黃胄、常莎娜等，也和中央工藝美術(shù)學(xué)院（現(xiàn)清華大學(xué)美術(shù)學(xué)院）結(jié)下了不解之緣。

政道在講課中，尤其是解釋物理中對稱與不對稱的概念，常常展示中西方藝術(shù)為例子。

中國高等科學(xué)技術(shù)中心每次國際活動，都有一幅精美的宣傳廣告，廣告上的畫以及文集的封面都是在聽了政道對物理概念的描述后，加上藝術(shù)家的想象創(chuàng)作出來的。每一幅畫都是科學(xué)與藝術(shù)碰撞的結(jié)晶。

“細(xì)推物理須行樂，何用浮名絆此身?！?/section>

1996年5月，在給北京大學(xué)學(xué)生的演講中，政道引用了杜甫的這一詩句。筆者深感這一句詩正是他物理生涯的最好寫照。

看到國內(nèi)關(guān)于自己的報(bào)道每每冠以“著名物理學(xué)家”的稱號，政道曾說：“如讀者不知此人，這'著名’二字就是虛的，反之則是多余的?！彼麑Α昂斡酶∶O此身”的推崇是身體力行的。

學(xué)生時(shí)代

1926年11月25日，政道誕生于上海的一個(gè)大家庭。

他自幼喜愛讀書。父母對他愛好看書的習(xí)慣也非常支持，常陪他去逛書店，任他隨意挑選購買大量書籍。在他10歲前后的幾個(gè)年頭中，上海的商務(wù)、中華、開明等書店，他們每年都要多次光顧。

少年李政道對書的種類并不挑剔。文學(xué)、歷史、科學(xué)，古今中外的都看，沒有什么固定目的。當(dāng)時(shí)，他曾讀過馬克·吐溫的《湯姆·索亞歷險(xiǎn)記》中譯本，覺得故事描寫得特別生動有趣、與眾不同。

在以后的歲月中，他一直保持這一幼年養(yǎng)成的習(xí)慣。在青春時(shí)期博覽的群書中，他對愛丁頓的《膨脹的宇宙》留有深刻的印象。書中描寫的恒星、星系，特別是整個(gè)宇宙居然還在擴(kuò)展，喚起他的想象力，使他對科學(xué)更有興趣。

在為人之師后，他又注意培養(yǎng)學(xué)生的讀書習(xí)慣。政道曾建議剛到美國的中國留學(xué)生多讀些文學(xué)書以提高英文水平，并說他自己到美國時(shí)英文水平很差，就是這樣學(xué)的。他還說：“并不要局限于名著，差的不妨也讀幾本。讀多了你們才能辨別好壞?！?/section>

1941年12月，日本侵略軍進(jìn)入上海租界。當(dāng)時(shí)，政道剛滿15歲，便只身離家從上海去浙江求學(xué)。在此后的3年里，隨著日寇鐵蹄不斷踏向中國內(nèi)陸，他一直過著流動的生活。

不久，狼煙燃至貴州，他又去了四川，最后到達(dá)昆明，轉(zhuǎn)入西南聯(lián)合大學(xué)求學(xué)。從浙江至貴州的途中，衣食全無保障，瘧、痢等疾流行，他時(shí)而獨(dú)自，時(shí)而和其他愛國學(xué)生結(jié)伴，主要靠徒步跋涉，運(yùn)氣好時(shí)就搭一段“黃魚”車。一次，他因車禍?zhǔn)芰酥貍?，有半年多臥床不起。

圖2 李政道在西南聯(lián)大的學(xué)生注冊卡片

西南聯(lián)合大學(xué)在昆明沒有好的教室、圖書館。當(dāng)?shù)夭桊^晚上有汽燈，而聯(lián)大校舍中沒有，很多學(xué)生便在茶館讀書。政道每天一大早就到茶館買一杯茶，這樣可以占一個(gè)位子坐一整天。

他入聯(lián)大是二年級轉(zhuǎn)學(xué)生，但學(xué)校讓他上大三和大四的課程，而大二的課程，則只需參加考試。

回憶起戰(zhàn)時(shí)的求學(xué)情景，政道說，當(dāng)時(shí)浙大和西南聯(lián)大的物質(zhì)條件很艱苦，可是有王淦昌、束星北、吳大猷、葉企孫、趙忠堯等第一流的老師，學(xué)習(xí)環(huán)境是很優(yōu)秀的。他更清晰地記得當(dāng)年同學(xué)們對祖國未來的向往和成就事業(yè)的信心。

圖3 李政道（左二）和葉銘漢（左三）、陸祖蔭（右一）、樓格（左一）在西南聯(lián)大校園

日本投降后，吳大猷先生于1946年得到一筆經(jīng)費(fèi)出國研究，可有兩名研究生隨行。吳大猷先生選了朱光亞和李政道。當(dāng)時(shí)在西南聯(lián)大，政道雖已具備很好的經(jīng)典和近代物理基礎(chǔ)，但在名義上還只是大學(xué)二年級學(xué)生。

到芝加哥大學(xué)后，他因沒有大學(xué)文憑（其實(shí)由于國內(nèi)的連綿戰(zhàn)火，他甚至連中學(xué)和小學(xué)也沒有畢業(yè)），一度很難進(jìn)入研究生院，只能先當(dāng)非正式生。進(jìn)入研究生院后不久，他就得到物理系的費(fèi)米、特勒和扎克賴亞森等教授的幫助，很快成為正式研究生。

圖4 李政道在芝加哥大學(xué)

芝加哥大學(xué)物理系由于費(fèi)米的影響，是當(dāng)時(shí)全世界最活躍的物理中心，系里的教授，除上述三位外，還有邁耶、馬利坎、溫策爾等。當(dāng)費(fèi)米要政道跟他做博士論文時(shí)，政道很覺興奮。

此時(shí)，費(fèi)米除有理論方面的學(xué)生政道外，還有兩位實(shí)驗(yàn)方面的學(xué)生，斯坦伯格和加文。費(fèi)米每星期和政道單獨(dú)討論半天時(shí)間。每次討論由費(fèi)米提一些問題，政道在下一星期就向他作一報(bào)告，并共同討論。

這些從現(xiàn)有結(jié)果到存在問題的討論，往往很快就變成研究項(xiàng)目。

當(dāng)時(shí)的恒星演變理論認(rèn)為，恒星都是從小而熱的白矮星開始的，這意味著白矮星的主要成分應(yīng)該是氫。

政道在分析這一問題時(shí)證明，氫的含量不能大于 1%，因此，白矮星只能是恒星演變的后期，而不是開始。這一工作，后來成為他的博士論文。

和費(fèi)米的討論涉及廣泛的物理領(lǐng)域，諸如天體、流體、粒子、統(tǒng)計(jì)、核物理等。

在流體力學(xué)里，政道發(fā)現(xiàn)，要產(chǎn)生湍流，必須在三維空間。這是流體力學(xué)和湍流學(xué)中的一條重要定理。普林斯頓高研院的馮·諾依曼關(guān)注到了這篇論文，熱情邀請政道去高研院任職。那時(shí)馮·諾依曼正在設(shè)計(jì)建造世界上第一臺計(jì)算機(jī)，解流體力學(xué)方程是其目的之一。

政道后來說，如果不是物理牢牢地吸引住了他，他很可能就踏入了計(jì)算機(jī)領(lǐng)域。

關(guān)于弱相互作用普遍性假設(shè)的論文，也始于同費(fèi)米的討論。政道與特勒的兩位學(xué)生羅森布魯斯和楊振寧，對β衰變、μ介子的衰變及俘獲進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)這些過程都具有相同的強(qiáng)度。

他們同時(shí)預(yù)言，這類相互作用可以由重的中間粒子來傳遞。之后，政道成功地預(yù)言了這中間玻色子的存在，并取名為W（借用英文weak一字的第一字母）。

1949 年底，政道在芝加哥大學(xué)完成了博士論文和論文答辯。

費(fèi)米的嚴(yán)格科學(xué)態(tài)度，公正待人方法，一直伴隨著政道。他對實(shí)驗(yàn)觀測的一貫重視，也來自費(fèi)米。

除了學(xué)業(yè)上的進(jìn)步，費(fèi)米對學(xué)生的生活也很關(guān)心。有段時(shí)間，費(fèi)米發(fā)現(xiàn)政道明顯瘦下來了，便向中國學(xué)生打聽，是否政道生活費(fèi)不夠，伙食不足。原來是政道談戀愛了。

圖5 李政道和秦惠?

博士論文答辯后次年，政道與同樣來自上海的中國學(xué)生秦惠?在芝加哥市政府大樓結(jié)婚。

為了秦惠?能繼續(xù)攻讀碩士學(xué)位，政道畢業(yè)后辭謝了普林斯頓高等研究院（ISA）的邀請，先去加州大學(xué)伯克利分校工作一年，然后再到普林斯頓。政道與自己的愛妻感情十分深厚，這就是一個(gè)例子。

政道和熟悉的人說，他事業(yè)上的成功是和惠?分不開的。

在李夫人病重期間，政道開始用寫幻燈片的彩筆作畫，因?yàn)樗偸请S身帶著一套這樣的筆。每到一個(gè)地方，他就把周邊看見的事物，快速地畫出來，回家后拿給李夫人看。

由于政道對藝術(shù)的鑒賞能力，加上他獨(dú)特的觀察能力，他的畫就像他的物理研究也與眾不同。

李夫人去世后，遵照她的遺愿，政道用他和李夫人多年的積蓄，成立了?政基金，支持優(yōu)秀的大學(xué)本科生，其中至少一半是女生。已有北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)、蘭州大學(xué)、蘇州大學(xué)和臺灣清華大學(xué)六所大學(xué)2000多名本科生獲得基金資助。

?政基金幫助他們利用暑假和課余時(shí)間了解和獲得學(xué)術(shù)研究工作的訓(xùn)練和經(jīng)驗(yàn)，使他們有機(jī)會與活躍在第一線的高水平科學(xué)家接觸，擴(kuò)展他們的視野。被選中并順利結(jié)項(xiàng)的學(xué)生命名為“?政學(xué)者”。

對物理學(xué)的貢獻(xiàn)

政道對物理學(xué)的貢獻(xiàn)可以分為兩個(gè)方面——理論物理方面的工作和對實(shí)驗(yàn)物理的推動。

到普林斯頓后，李政道和楊振寧共同發(fā)表了兩篇統(tǒng)計(jì)物理方面的論文，首次給出不同相熱力學(xué)函數(shù)的嚴(yán)格定義。

在此基礎(chǔ)上，他們發(fā)現(xiàn)不同相的熱力學(xué)函數(shù)在有相變情況下是不可解析延拓的。相變是統(tǒng)計(jì)物理中的最基本問題。這一發(fā)現(xiàn)推翻了邁耶、玻恩和烏倫貝克等的理論，對后來惰性氣體的實(shí)驗(yàn)起了很大作用。

這兩篇論文標(biāo)志著量子統(tǒng)計(jì)的新開端。后人評價(jià)，這兩篇文章是統(tǒng)計(jì)物理中最美麗的結(jié)果。

圖6 1956 年Seatle國際物理會議，左一為烏倫貝克

1953年，政道到哥倫比亞大學(xué)物理系任助理教授，兩年后升為副教授，1956年升任教授，至2011年退休，在哥大勤奮耕耘了近60年。

其間，他曾于1960~1963年在IAS任教授，但仍為哥倫比亞大學(xué)兼職教授。1964年，他被聘為哥倫比亞大學(xué)費(fèi)米物理學(xué)講座教授；1984年，又獲該校的最高教銜——全校教授。

李模型是政道到哥倫比亞大學(xué)后的第一項(xiàng)工作，這是場論中少有的可解模型。他證明，在該模型下，重整化可以嚴(yán)格推導(dǎo)出來。由此可以驗(yàn)證，在微擾論中，重整化不一定正確。

這篇論文對以后的場論和重整化研究有很大的作用和影響。對他人工作一貫挑剔刻薄的泡利對李模型給予高度的評價(jià)，還逢人便夸。這篇政道獨(dú)立完成的論文，樹立了他在理論物理界的地位。

不久，政道的興趣轉(zhuǎn)向粒子物理。

由于達(dá)立茲等人的工作，有關(guān)奇異粒子的θ-τ之謎成為當(dāng)時(shí)粒子物理的主要問題。政道先后提出幾種解釋這一現(xiàn)象的模型。

當(dāng)時(shí)，絕大部分物理學(xué)家都堅(jiān)信宇稱守恒定律，也有很多人誤以為宇稱守恒早就得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。政道是難得的深度了解實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)的理論物理學(xué)家。他很快意識到，宇稱守恒在弱相互作用中缺乏可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)，必須對不同粒子反應(yīng)過程中所有對稱性的證據(jù)作仔細(xì)分析。

李政道和楊振寧于1956年合作完成的論文“宇稱在弱相互作用中是否守恒的問題”，給出了實(shí)驗(yàn)測量離散對稱性 C(電荷共軛)、P（宇稱）和 T（時(shí)間反演）的嚴(yán)格條件，指出已有的弱相互作用的實(shí)驗(yàn)并未驗(yàn)證這些對稱性，并在此基礎(chǔ)上提出了幾種檢驗(yàn)弱相互作用宇稱是否守恒的實(shí)驗(yàn)途徑。

1957年，他們又提出二分量中微子的理論，對宇稱不守恒作出了定量的預(yù)言。在另一篇論文中，他們對T和CP不守恒問題，特別是中性K介子系統(tǒng)作了研究。

圖7 李政道和楊振寧

1957年1月，吳健雄小組提供β衰變實(shí)驗(yàn)，得到弱相互作用中宇稱不守恒的明確實(shí)驗(yàn)證據(jù)。緊隨吳健雄實(shí)驗(yàn)之后，有近百個(gè)不同實(shí)驗(yàn)得到同一結(jié)論。為此，李政道和楊振寧榮獲1957年度的諾貝爾物理學(xué)獎。

吳健雄生前，對這段歷史，尤其是政道在宇稱不守恒發(fā)現(xiàn)過程中的決定性貢獻(xiàn)，有詳細(xì)的描述。

在此后的幾年里，政道將弱相互作用研究中的新思想推廣到其他物理過程中。以對稱性原理為出發(fā)點(diǎn)的研究成為60年代粒子物理的主流。

1957~1960 年，李政道和楊振寧、黃克孫研究了玻色硬球系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)。同時(shí)，李政道和楊振寧建立了統(tǒng)計(jì)物理中多體問題通用的理論框架。他們發(fā)現(xiàn)有相互作用的玻色系統(tǒng)可以導(dǎo)致超流現(xiàn)象，從而對氦2的奇特性質(zhì)有了進(jìn)一步了解。

圖8 1959 年在美國加州大學(xué)伯克利分校

圖中左起：塞格雷、楊振寧、李政道、麥克米倫、勞倫斯、拉比、海森堡

政道較早強(qiáng)調(diào)了高能中微子實(shí)驗(yàn)的重要性，并對早期實(shí)驗(yàn)作了理論上的促進(jìn)。

1961年，他在題為“高能中微子實(shí)驗(yàn)”的論文里，基于弱電統(tǒng)一的可能性，給出 W 粒子質(zhì)量的上、下限分別為 300 和 30 吉電子伏（實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果約 80 GeV）。

在另一篇與楊振寧合作的論文里，計(jì)算了W粒子在高能中微子束實(shí)驗(yàn)中的產(chǎn)生截面。這些計(jì)算是60年代尋找W粒子的依據(jù)。這一時(shí)期受政道影響的一批實(shí)驗(yàn)至今仍是弱相互作用的主要信息源。

1964 年，李政道和諾恩伯格對零質(zhì)量粒子理論中的發(fā)散作了進(jìn)一步分析，并引入一套解決該問題的系統(tǒng)性辦法，有關(guān)結(jié)論被稱為KLN 定理。

KLN 定理表明標(biāo)準(zhǔn)模型微擾展開是紅外安全的，對標(biāo)準(zhǔn)模型的確立具有重要的支撐作用。它是一個(gè)目前強(qiáng)相互作用實(shí)驗(yàn)中不可缺少的定理，也是用高能噴注去發(fā)現(xiàn)夸克和膠子的理論基礎(chǔ)。

圖9 諾恩伯格和李政道

攝于1986 年11 月22 日哥倫比亞大學(xué)宇稱不守恒發(fā)表三十周年暨李政道教授六十大壽生日慶祝會

CP 不守恒發(fā)現(xiàn)后，政道提出一系列 CP 不守恒的模型，并驗(yàn)證這些模型和當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)測量是相容的。

幾年后，他又在自發(fā)破缺的基礎(chǔ)上提出另一模型，該模型至今仍是解決CP問題的可能性之一，也是目前建造B介子和τ輕子-粲夸克工廠等大型加速器的主要研究目標(biāo)之一。

1969~1971年，李政道同威克提出一個(gè)解決量子場論中紫外發(fā)散的方法——在希爾伯特空間引入不定度規(guī)。他們發(fā)現(xiàn)，這類理論和已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不矛盾。

1973年，李政道和威克從理論上探索了自發(fā)破缺的真空在一定條件下恢復(fù)對稱性破缺的可能性。

政道在1975年發(fā)表的論文中進(jìn)一步指出，迄今為止，高能物理實(shí)驗(yàn)一直努力將越來越高的能量集中于越來越小的范圍。為了研究真空，必須轉(zhuǎn)向另一個(gè)方向，將很高的能量集中于一個(gè)相當(dāng)大的范圍。

論文進(jìn)一步指出，在很高的粒子密度下（比如在原子核內(nèi)），一些標(biāo)量場的期待值有可能明顯偏離其通常的真空值，從而改變與其耦合的費(fèi)米子的質(zhì)量（比如改變核子本身的質(zhì)量）。

這種質(zhì)量的改變會表現(xiàn)為一種從通常的核物質(zhì)向具有較高密度和結(jié)合能的核物質(zhì)的新形態(tài)的相變，并指出它在相對論重離子碰撞中產(chǎn)生的可能性。

圖10 圖片攝于約1975年前后，左起依次為李政道、吳健雄、塞格雷、瑟伯、威克、在吳健雄家中聚會

李政道與弗里德伯格、希林在20世紀(jì)70年代末，找到一批場論中的經(jīng)典解及其量子化解。

政道稱其為非拓?fù)涔伦樱⒘藞稣摰囊粋€(gè)新領(lǐng)域。接著，他和弗里德伯格又將這種解用來建立強(qiáng)子模型。

圖11 弗里德伯格

攝于1986年11月22日哥倫比亞大學(xué)宇稱不守恒發(fā)表三十周年暨李政道教授六十大壽生日慶祝會

從1982年起，政道對格點(diǎn)規(guī)范產(chǎn)生興趣。

為解決格點(diǎn)規(guī)范中的費(fèi)米子譜倍增和平移、轉(zhuǎn)動對稱性破壞兩大問題，李政道和克里斯特、弗里德伯格提出隨機(jī)格點(diǎn)的理論。政道還進(jìn)一步提出一個(gè)問題：時(shí)間和空間是否可以是離散的？

他們發(fā)現(xiàn)，已有理論都可以在離散的時(shí)空上描述。這套稱為離散力學(xué)的理論可以是經(jīng)典，也可以是量子的。它是今后統(tǒng)一場論的可能途徑之一。

1986年，收入政道近200篇論文的三卷《李政道文集》出版。

此后的10年，政道的研究課題包括孤子星、黑洞、凝聚態(tài)物理、多體物理、相對論重離子碰撞、粒子物理和場論等，這方面的70多篇論文收入《李政道文集》第4卷。

孤子星是非拓?fù)涔伦雍蛷V義相對論結(jié)合的產(chǎn)物，該領(lǐng)域是政道于1986年創(chuàng)立的。他和弗里德伯格、龐陽詳細(xì)研究了孤子星的特有性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)它們可以有各種大小質(zhì)量。最大質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過錢德拉塞卡極限，因此是暗物質(zhì)、類星體等的理論模型之一。

1986年以來，李政道和弗里德伯格、任海滄在高濕超導(dǎo)的研究中，探討了凝聚態(tài)物理、多體統(tǒng)計(jì)等方面的問題?；诟邷爻瑢?dǎo)材料相干長度短的特性，政道對空間關(guān)聯(lián)的庫珀對做了分析，并和弗里德伯格一起提出玻色子-費(fèi)米子超導(dǎo)模型，該模型結(jié)合了玻色-愛因斯坦凝聚和BCS理論。

接著，又和弗里德伯格、任海滄一起對該理論的實(shí)驗(yàn)觀測作了預(yù)言。

圖12 1986年哥倫比亞大學(xué)宇稱不守恒發(fā)表三十周年暨李政道教授六十大壽生日慶祝會，左起依次為錢德拉塞卡（1983諾獎），詹姆斯·克羅寧（1980諾獎）、拉比（1944諾獎）、李政道、丁肇中（1976諾獎）

關(guān)于理想帶電玻色子的玻色-愛因斯坦凝聚，早在1955年沙弗羅斯就做過相當(dāng)有影響的工作。但李政道、弗里德伯格和任海滄發(fā)現(xiàn)，沙弗羅斯的結(jié)果由于忽略了靜電交換能，存在大的錯(cuò)誤。

對這一基本性問題，他們給出了新的正確解：理想帶電玻色系統(tǒng)，在低密度下并非超導(dǎo)體，當(dāng)密度超過某一臨界值后才成為第二類超導(dǎo)體，其臨界磁場遠(yuǎn)高于沙弗羅斯給出的值。

在李政道的超導(dǎo)研究中心，出現(xiàn)了一個(gè)場論中的基本問題：什么情況下一個(gè)復(fù)合粒子，比如庫珀對，可以被看作是基本的自由度？是近似的，還是嚴(yán)格的？

政道對該問題做了解答，并和弗里德伯格、任海滄合作證明了一個(gè)嚴(yán)格的等同定理。根據(jù)這個(gè)定理，可以把任何純費(fèi)米子系統(tǒng)當(dāng)做基本費(fèi)米子和基本玻色子，兩者之間有短距離的排斥勢。

該定理為李政道的玻色子-費(fèi)米子超導(dǎo)模型確立了堅(jiān)固的理論基礎(chǔ)。

20世紀(jì)末開始，已逾古稀之年的政道，和弗里德伯格、趙維勤合作，導(dǎo)得一個(gè)沿著一條確定軌跡積分求解 N 維薛定諤方程的基態(tài)量子波函數(shù)的新方法，將方程從二階偏微分方程化為一系列沿著這條軌跡的一階常微分方程。

基于這一確定軌跡，引入相應(yīng)的 N 維量子波函數(shù)的格林函數(shù)，導(dǎo)得一個(gè)全新的微繞展開系列。進(jìn)一步發(fā)展了一種新的迭代方法，選取恰當(dāng)?shù)膰L試波函數(shù)，求得相應(yīng)的修正位勢，并進(jìn)行迭代求解。在證明了一個(gè)層次定理的基礎(chǔ)上，證明了迭代系列的收斂性，并以雙阱位為例，得到收斂的修正能量和波函數(shù)系列。之后的工作進(jìn)一步指出，N 維薛定諤方程可以化成一個(gè)等價(jià)的N 維靜電問題迭代求解，并將此方法應(yīng)用于求解 N 維 Sombrero 型位，對任意維數(shù)，任意角動量的態(tài)，得到能量和波函數(shù)的收斂迭代系列，還將此方法用于迭代求解低激發(fā)態(tài)。

對21世紀(jì)物理學(xué)的影響

隨著21世紀(jì)的臨近，“細(xì)推物理”達(dá)半世紀(jì)之久的政道，又把目光投向下世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展。

進(jìn)入90年代以來，他在世界各地的演講中，常把目前物理學(xué)所處的狀況和19世紀(jì)末相比。

19世紀(jì)末，經(jīng)典物理已相當(dāng)完善，牛頓力學(xué)、麥克斯韋電磁理論、統(tǒng)計(jì)物理均與當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)觀測符合得很好。于是，有人提出物理學(xué)的研究已接近尾聲。

其實(shí)，那時(shí)仍有兩個(gè)和經(jīng)典理論格格不入的謎，一為邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)，一為黑體輻射能譜。20世紀(jì)初，這兩個(gè)謎的破解導(dǎo)致了物理學(xué)史上最偉大的革命，產(chǎn)生了相對論和量子力學(xué)，并帶動了其他學(xué)科的發(fā)展。

在量子力學(xué)基礎(chǔ)上誕生的半導(dǎo)體、激光、計(jì)算機(jī)，則造就了工業(yè)技術(shù)的革新?？梢哉f，整個(gè)20世紀(jì)的文明和對19世紀(jì)末兩個(gè)謎的破解有極密切的關(guān)系。

政道指出，物理學(xué)在20世紀(jì)末又走到了與20世紀(jì)末類似的微妙階段。它已找到物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)：輕子和夸克；也知道物質(zhì)之間的基本相互作用：引力、弱、電、強(qiáng)相互作用；并為這些相互作用建立了一套完整的理論描述，理論和現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)也都互相符合。

但是，取得這些成就的20世紀(jì)物理學(xué)也還存在著兩個(gè)謎：目前的理論都建立在對稱性原理上，而大多數(shù)對稱性量子數(shù)卻都不守恒；夸克還沒有直接觀測到。這兩個(gè)謎的破解，很可能會像19世紀(jì)末兩個(gè)謎的破解那樣，最終導(dǎo)致21世紀(jì)科學(xué)和技術(shù)的革命。

政道還指出，這兩個(gè)謎的關(guān)鍵都在物理的真空，這真空是含洛倫茲不變性的，它不是19世紀(jì)的“以太”。

按照現(xiàn)代物理的觀點(diǎn)，真空是很復(fù)雜的。對此，政道曾說：“人們可以把物質(zhì)去掉，但去不掉相互作用?！备鶕?jù)量子力學(xué)，時(shí)空的任何一點(diǎn)，任何一瞬間，都可以產(chǎn)生許多粒子反粒子對。這些粒子和物質(zhì)的作用可以改變物質(zhì)的物理特性。對稱性破缺目前就歸結(jié)為真空，這就是自發(fā)破缺理論。

量子色動力學(xué)中，夸克禁閉也可以看作是由量子色動力學(xué)真空的性質(zhì)造成的。政道認(rèn)為這樣的解釋雖然可以自圓其說，但正確與否還需要經(jīng)過實(shí)驗(yàn)觀測。

他多次在各種國際會議上強(qiáng)調(diào)，要解開這兩個(gè)謎，需要改變真空的性質(zhì)，而應(yīng)用相對論重離子碰撞產(chǎn)生高溫高密的物質(zhì)，有可能在一定空間范圍內(nèi)改變真空，實(shí)現(xiàn)恢復(fù)對稱性和退禁閉的相變。

這個(gè)新觀念指出了一條全新的基礎(chǔ)性的研究道路，開辟了相對論重離子碰撞物理學(xué)的研究。

20世紀(jì)70年代中期以后，在政道的推動下，這一新的領(lǐng)域吸引了粒子物理與核物理領(lǐng)域理論和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家的廣泛關(guān)注。

政道一直推進(jìn)和關(guān)注布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室（BNL）的相對論重離子對撞機(jī)（RHIC）的建造，與RHIC實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家密切聯(lián)系，一直關(guān)心其實(shí)驗(yàn)結(jié)果。歐洲核子中心（CERN）也實(shí)現(xiàn)了在大型強(qiáng)子對撞機(jī)上開展重離子對撞實(shí)驗(yàn)。

21世紀(jì)初，相對論重離子碰撞的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，在高能重離子對撞過程中產(chǎn)生了由強(qiáng)相互作用的夸克膠子等離子體（sQGP）。李政道高度評價(jià)這一結(jié)果，指出這很可能是一個(gè)新物理時(shí)期的開始。美國物理學(xué)會將RHIC的最新實(shí)驗(yàn)結(jié)果列為2005年的最重要的16項(xiàng)物理成就的第一項(xiàng)。

1989年6月，中國高等科學(xué)技術(shù)中心舉辦“相對論性重離子碰撞”國際學(xué)術(shù)研討會。為了稱頌人類有可能通過相對論性重離子對撞機(jī)來探索宇宙的起源和真空的復(fù)雜性，李可染教授為該會議創(chuàng)作主題畫“核子重如牛，對撞生新態(tài)”。

至于基本相互作用理論下一步怎么走，政道認(rèn)為，還需要更多實(shí)驗(yàn)方面的啟示。

當(dāng)年，宇稱不守恒的發(fā)現(xiàn)，使人們找到了弱相互作用的解。現(xiàn)在，則希望能從T或CP的實(shí)驗(yàn)中得到提示。目前，T和CP不守恒只在K介子衰變中發(fā)現(xiàn)，其來源尚不清楚。美國、日本正在建造的3個(gè)B介子工廠，都是為了尋找CP和T在底夸克系統(tǒng)中的不守恒。

輕子系統(tǒng)是否有時(shí)間反演的不守恒，這個(gè)問題實(shí)驗(yàn)上還沒條件回答。

北京正負(fù)電子對撞機(jī)（BEPC）是這一能區(qū)唯一合適的實(shí)驗(yàn)裝置。為了回答上述問題，正負(fù)電子流和探測器都需要進(jìn)一步加強(qiáng)。

正因?yàn)槿绱?，政道對中國科學(xué)院高能物理所的τ輕子-粲夸克工廠計(jì)劃十分支持。他認(rèn)為，這不僅有利于保持中國在高能物理領(lǐng)域的地位，也是達(dá)到下一世紀(jì)物理前沿的最直接而且在價(jià)格上又較合算的投資。

2006年，八十高齡的政道和弗里德伯格合作開展了一系列關(guān)于中微子的質(zhì)量本征態(tài)與相互作用本征態(tài)之間的轉(zhuǎn)換矩陣的工作。

他們從對稱性出發(fā)，假定轉(zhuǎn)換矩陣可由中微子的有效質(zhì)量項(xiàng)在中微子場算符作平移變換下保持不變而得到。不存在T破缺時(shí)導(dǎo)出的中微子轉(zhuǎn)換矩陣提供了第三混合角θ₁₃不為零的可能性。還向存在T破缺的情況進(jìn)行了推廣。

2012年大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)測量到θ₁₃不為零后，他們的理論仍能繼續(xù)作為討論中微子混合模型的框架。

之后，他們進(jìn)一步將這種對稱性應(yīng)用于夸克混合的 CKM 矩陣，并建議 u，d夸克質(zhì)量的微小可能和時(shí)間不對稱的微弱有關(guān)。導(dǎo)得了Jarlskog不變量的具體表達(dá)式，發(fā)現(xiàn)其數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量一致。

圖13 2004年，李政道致信建議支持大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)測量中微子振蕩的一個(gè)重要參數(shù)θ₁₃

政道開辟的對中微子奧秘的探索，對量子場論中真空的特性的改變和測量，和粒子物理與宇宙早期相結(jié)合的孤子星模型，仍然是21世紀(jì)物理研究的前沿。

對中國科學(xué)、教育事業(yè)的貢獻(xiàn)

1972年，中美關(guān)系開始走向正常，政道和夫人一有機(jī)會就回國訪問。

看到當(dāng)時(shí)國內(nèi)科學(xué)、教育的狀況，他心中十分擔(dān)憂。在見到國家領(lǐng)導(dǎo)人時(shí)，多次坦陳己見，并建議用設(shè)立少年班的辦法來培養(yǎng)少數(shù)學(xué)科的人才。

他在各地參觀時(shí)，看到不少為樣板戲訓(xùn)練人才的少年班，覺得在當(dāng)時(shí)環(huán)境下培養(yǎng)科學(xué)人才這也許是一條可行之路。

政道的意見遭到“四人幫”反對，為此他還和“四人幫”有過一場辯論。后來，毛澤東接受了他的建議。

“四人幫”垮臺后，國內(nèi)百廢待興。振興教育更是其中一項(xiàng)要務(wù)。

政道便利用暑假回國為中國科技大學(xué)研究生院師生講課，全國各校組織了約千名師生在北京友誼賓館聽講。一個(gè)夏天，每天三小時(shí)，開了“場論與粒子物理”和“統(tǒng)計(jì)物理”兩門課。他由淺入深地講授，系統(tǒng)地介紹了當(dāng)代物理的最新發(fā)展。

那時(shí)，國家開始選派年輕學(xué)生出國讀大學(xué)，并派遣教師、科研人員出國進(jìn)修。政道在美國專門設(shè)立了一個(gè)高能物理實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的中國訪問學(xué)者項(xiàng)目，這在美國稱為“李政道學(xué)者”。

在他的安排下，這些訪問學(xué)者都進(jìn)入了高能物理的前沿領(lǐng)域，為以后北京正負(fù)電子對撞機(jī)的建設(shè)和高能物理研究打下了基礎(chǔ)。

針對當(dāng)時(shí)中國的情況，為培養(yǎng)一流科研人才并為高校建立國際聯(lián)系，政道認(rèn)為，最有效的方法是挑選大學(xué)生出國攻讀博士學(xué)位。

那時(shí)，國內(nèi)尚未開設(shè)GRE和TOEFL考試。由于缺少一個(gè)客觀可行的辦法來評價(jià)中國學(xué)生，美國的一流研究生院難以錄取中國學(xué)生。

為此，政道親自設(shè)計(jì)了中美聯(lián)合招考物理研究生項(xiàng)目（CUSPEA），每年約有100名中國物理系高年級學(xué)生通過考試進(jìn)入美國一流的研究生院。

這一形式很快也被化學(xué)、生物等學(xué)科采用，所有通過CUSPEA考試的學(xué)生都得到美方的全額獎學(xué)金。

CUSPEA和美國的入學(xué)手續(xù)有些不同，為了使中國學(xué)生能在大學(xué)畢業(yè)后立刻進(jìn)研究生院，政道教授和他的助手特拉梅女士，每年都要花很多精力和時(shí)間，向70多所美國院校的招生部門做解釋和安排，有關(guān)國內(nèi)事務(wù)則由吳塘、沈克琦等先生組織。

從1979年開始到1989年結(jié)束，通過CUSPEA考試共培養(yǎng)了915名學(xué)生，這些學(xué)生，在美的學(xué)業(yè)大都在各校各系中名列前茅，為祖國和母校爭得了榮譽(yù)。

其中的不少人在學(xué)業(yè)有成后，又在各自的研究領(lǐng)域內(nèi)取得了杰出成績?，F(xiàn)在，他們當(dāng)中有些已回國工作，成為所在單位的骨干；更多的則周期性回國講學(xué)，成為溝通國內(nèi)與國際學(xué)術(shù)聯(lián)系的重要橋梁。

圖14 李政道與CUSPEA學(xué)者在一起

1979年1月，在美國斯坦福直線加速器中心，政道和帕諾夫斯基一起組織了第一次中美高能物理會談。會談后，兩國正式成立了中美高能物理合作項(xiàng)目，一直持續(xù)了40年。

通過這一合作渠道，在政道的精心安排下，美國的高能物理實(shí)驗(yàn)室為BEPC的設(shè)計(jì)、建造提供了大量技術(shù)上的支持，美國也參與了大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

圖15 1980年廣州粒子物理討論會上，錢三強(qiáng)、張文裕、周光召、李政道一起座談

在北京建造能區(qū)為 3~6 GeV 的正負(fù)電子對撞機(jī)的建議是1981年提出的，在這項(xiàng)有關(guān)中國高能物理研究和科技發(fā)展的關(guān)鍵決策中，政道教授起了十分重要的作用。他力主整個(gè)加速器和探測器都在中國建造。

BEPC于1984年動工后在4年內(nèi)建成。它曾是世界上這一能區(qū)最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置，有50多位美國及其他國家的科學(xué)家來進(jìn)行合作研究。

1992年，BEPC上有關(guān)τ輕子質(zhì)量的精確測量，被稱為當(dāng)年國際粒子物理實(shí)驗(yàn)中最重要的結(jié)果。

圖16 在第九屆中美會談上，李政道、周光召、謝家麟、葉銘漢討論BEPC工程建設(shè)問題

圖17 1984年10月，BEPC 奠基時(shí)合影（左起：張厚英、李明德、李政道、葉銘漢、何國偉）

1985年和1986年，經(jīng)政道建議，中國分別設(shè)立了博士后制度及自然科學(xué)基金。政道還幫助設(shè)計(jì)了博士后制度及自然科學(xué)基金的具體實(shí)施方案。

在博士后制度實(shí)行前，青年科研人員對研究單位選擇余地很少，不同單位間研究人員也很少流動。博士后制度的建立從根本上改變了這一狀況。現(xiàn)在博士后的規(guī)模已擴(kuò)大了好幾倍，最初只有250名，而1996年的新博士后就有近1200名。

自然科學(xué)基金的設(shè)立，在中國首次將同行評審引入科研經(jīng)費(fèi)的分配。10年來，它已成為促進(jìn)中國基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)展的有效手段。

讓自己衷情的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)在中國的土地上生根開花結(jié)果，是政道的一大夙愿。

為了創(chuàng)造一個(gè)良好的學(xué)術(shù)環(huán)境，促進(jìn)科研人員、尤其是青年科研人員在國內(nèi)的工作和交流，組織海外中國青年學(xué)者回國短期工作和講學(xué)，在他的努力下，1986年成立了中國高等科學(xué)技術(shù)中心（CCAST）和北京近代物理中心（BIMP）。

CCAST的主要經(jīng)費(fèi)來自瑞士的世界實(shí)驗(yàn)室，政道為主任，中國科學(xué)院院長周光召為副主任。CCAST每年約組織25個(gè)工作月，有來自全國各地的近千名科研人員參加研討，討論的課題除物理外，還有環(huán)境科學(xué)等內(nèi)容。BIMP則幾乎每天都有學(xué)術(shù)報(bào)告會，內(nèi)容包括物理、化學(xué)、生物和各種交叉學(xué)科。

政道在“往事回憶”一文中談到：“40年前，經(jīng)吳大猷教授推薦，我獲取了中國政府的一筆獎學(xué)金，赴美留學(xué)，在物理學(xué)方面繼續(xù)深造。這一難得的機(jī)會改變了我的一生。一個(gè)人的成功有著各種各樣的因素，其中'機(jī)遇’也是最重要的，也是最難駕馭的。盡管成功的機(jī)遇不可預(yù)訂，但它的幾率卻可以大大增加。通過吳教授，我才能得到這一機(jī)遇。我對這一機(jī)遇的珍視，是促使我近年來組織CUSPEA考試的主因之一。希望更多類似的機(jī)遇能夠光顧年輕人?！?/section>

政道多年來為祖國、為科學(xué)所做的一切，正是在給年輕一代創(chuàng)造機(jī)遇。

2019年，約200位來自世界各地的CUSPEA學(xué)者相聚，慶祝CUSPEA項(xiàng)目走過 40周年。政道親自為活動題詞“薪火相傳”。在政道的鼓勵(lì)下，CUSPEA學(xué)者們積極籌劃成立科研機(jī)構(gòu)和慈善基金，促進(jìn)國際的科技交流，承擔(dān)起下一代人應(yīng)有的責(zé)任。

過去十年里，政道將他的手稿和信件全部捐給了上海交通大學(xué)的李政道圖書館。李政道研究所成立后，吸引了一批國際一流的物理學(xué)家，很可能成為二十一世紀(jì)物理研究的國際中心。

END

本文選自《現(xiàn)代物理知識》2021年第5/6期

作者簡介

葉銘漢，著名高能實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家、粒子探測技術(shù)專家，中國工程院院士。1925年出生，上海人。1949年畢業(yè)于清華大學(xué)物理系，同年考入清華大學(xué)研究生院讀碩士研究生，師從錢三強(qiáng)。

上世紀(jì)50年代，葉銘漢參加我國第一、二臺帶電粒子加速器的研制，建成后負(fù)責(zé)其運(yùn)行和改進(jìn)，對我國低能加速器的發(fā)展作出了貢獻(xiàn)。后率先研制和發(fā)展了多種粒子探測器，開展我國第一批核物理實(shí)驗(yàn)，作出了具有國際水平的物理工作。

70年代，肖健和他主持開展多絲正比室、漂移室等高能物理實(shí)驗(yàn)常用的粒子探測器的研制，首先在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)多絲正比室計(jì)算機(jī)在線數(shù)據(jù)獲取。1982年起主持大型高能物理實(shí)驗(yàn)粒子探測裝置北京譜儀的研制，是大型科研工程“北京正負(fù)電子對撞機(jī)和北京譜儀”的主要科技領(lǐng)導(dǎo)人之一。曾獲國家科技進(jìn)步獎特等獎等。

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編輯｜宗華

排版｜李言

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