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朱光亚:李政道物理生涯五十年

发布时间:2016-11-30 16:01浏览次数:100Tags:知识分子


►李政道(左)从事物理研究六十年学术思想研讨会,温家宝总理(中)握着他和朱光亚(右)的手;2006年11月24日(星期五) 北京人民大会堂。来源:中国高等科学技术中心

编者按:

11月29日,刚刚度过90岁华诞的李政道先生在上海创办“像玻尔研究所这样顶尖的科学研究机构”——李政道研究所,希望成为吸引国际顶尖科学家的品牌,同样也在若干年后造就一批顶尖的科学家。

李振道先生在2014年给中央领导的信中写道:“构建科技强国需要一流人才,我很希望能在上海交大建立一个国际化的科学研究所,主要从事21世纪物理和天文方面的最前沿的科学研究,包括暗物质和暗能量的研究,寻找宇宙中极大和极小之间的关联,探索自然界最基本和最深刻的相互规律,建造第一流的国际学术和生活环境,把世界上最优秀的科学家吸引过来,让他们和国内最拔尖的青年学者一起讨论、共同工作。我想,若干年后,一定能够历练出更多的祖国自己的顶尖学者。”

90岁高龄的人本可安享晚年。这封信里透露出来的老一辈科学家的报国情怀,以及刚刚创办的李政道研究所的眼光与抱负,无不令人动容。回想20年前,1996年,中国工程科学院(中国工程院前身)院长朱光亚先生在一次公开演讲中回顾了李政道先生五十年的物理生涯以及二十多年来对祖国事业的贡献,或可以让我们对李政道先生为中国科学,为自己血脉、亲情所系的故土工作,不辞辛劳、“呕心沥血”的事迹,多一些了解。

撰文 | 朱光亚

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我和政道之间的友谊是五十年前在昆明西南联大时开始的。当时我们曾一起听吴大猷教授讲授量子力学。1946年秋我们一起坐船去美国留学。同行的还有华罗庚、曾昭抡两位教授和唐敖庆、王瑞、孙本旺三位同学,到美国后,政道进入芝加哥大学,我随吴大猷先生去密执安大学。两地相距不远,政道常来Ann Arbor,或是看望吴大猷先生夫妇并研讨科学上的热点问题,或是参加密大每年夏季举行的高层次讲座和研讨会。那时候,杨振宁先生也去该校求学,常来密校。

1950年我回国后,联系曾一度中断。1972年起,我们又在北京经常相聚。半个世纪过去了,而今政道也已古稀之年了,但当时的情景仍历历在目。因此,我非常高兴在此把我所知道的政道青年时代的经历和学习情况,和经柳怀祖、庞阳等几位朋友帮助整理的政道五十年来在物理学上的成就及二十多年来对祖国事业的贡献,作一简要介绍。

1926年11月25日,政道教授诞生于上海。他自幼喜爱读书。父母对他爱看书的习惯也非常支持。

在以后的岁月中,他一直保持这一幼年养成的习惯。在青年时期博览的群书中,他对爱丁顿(A.S. Eddington)的《膨胀的宇宙》留有深刻印象,唤起他的想像力,使他对科学更有兴趣,同时博览群书也使他对艺术和历史有很大兴趣。给我深刻启示的一点,他每读一本专著,知道提出的是什么问题后,要先看最后得到的是什么结论,再通过自己的独立思考,提出自己对问题可以如何解决的见解,与作者的工作论述进行核对、比较。

►少年时期的李政道。来源:江苏理工学院物理实验中心

1941年12月,日本侵略军进入上海租界。当时,他刚满十五岁,便只身离家从上海去浙江求学。在此后的三年里,随着流浪的生活,由浙江经福建、江西、两广,抵贵州进入浙江大学。不久,狼烟流至贵州,他又去了四川,最后到达昆明,转入西南联大求学。从浙江至贵州的途中,衣食全无保障,疟、痢等疾流行。他时而单独,时而和其他爱国学生结伴,主要靠徒步跋涉,运气好时就搭一段"黄鱼"车。途中还遇一次车祸受了重伤,半年多卧床不起。

西南联合大学在昆明条件很差,学生宿舍、教室很简陋,图书馆照明也不好。当地茶馆晚上有汽灯,而联大校舍中没有,很多学生便在茶馆买一杯茶,这样可以占一位子坐一个晚上甚至一整天。李政道入联大是二年级转学生,由于他学习超前,所以学校同意他上大三和大四的课程,对大二的课程,则只需参加考试。

当时浙江大学和西南联大的物质条件都很差,可是有王淦昌、束星北、吴大猷、叶企孙、赵忠尧、王竹溪等第一流的老师,学习气氛是很浓的。当年同学们对祖国未来充满信心。

日本投降后,1946年吴大猷老师得到一笔经费出国研究,可有两名研究生随行。吴先生选了政道和我。当时政道虽已具备很好的经典和近代物理基础,但名义上还只有大学二年级学生。到芝加哥大学后,他因没有大学文凭(其实因抗战,他甚至连中学和小学也没毕业),不能当正式研究生,只能先当非正式生。但进入研究生院不久,由于他的天才和勤奋,很快得到了物理系费密(E. Fermi)、泰勒(E.Teller)和扎克赖亚森(Zachariasen)等教授的赏识,很快成了正式研究生。

费密(E. Fermi)。来源:Department of Energy. Office of Public Affairs

芝加哥大学物理系由于有费密等一批杰出物理学家,而成为当时世界活跃的物理中心。当费密要政道跟他做博士论文时,政道很觉兴奋。此时,费密除有理论方面的学生政道外,还有两位实验方面的学生,斯坦伯格(J. Steinberger)和加文(R. Garwin)。费密每星期和政道单独讨论半天时间。每次讨论费密教师选提一些问题,要政道在下一周内向他报告,并共同讨论。往往很快就变成研究项目。

当时的恒星演变理论认为,恒星都是从小而热的白矮星开始的,这意味着白矮星的主要成分就该是氢。但政道用新的星体结构稳性考虑,他证明,其氢的含量不大于1%。因此,白矮星只能是恒星演变的后期,而不是开始。这一工作,改变了当时对星体演变的基本观念,后来成为他的博士论文。

他和费密的讨论涉及广泛的物理领域,诸如天体、流体、粒子、统计、核物理等。在流体力学里,政道发现,要产生湍流, 必须在三维空间。这是流体力学和湍流学中的一条重要定理。

1965年,李政道在CERN的一次中微子会议上演讲弱相互作用问题。来源:中国高等科学技术中心

关于弱相互作用普遍性假设的论文,也始于同费密的讨论。政道与泰勒的两位学生罗森布鲁斯(M. Resenbluth)和杨振宁一起,对β衰变、μ介子的衰变及俘获进行了整体分析,发现这些过程都具有相同的强度。他们同时预言,这类相互作用可以由重的中间粒子来传递。之后,政道成功地预言了这中间玻色子的存在,并取名为W(借用英文weak一字的第一字母)粒子。

费密的严格科学态度,公正待人方法,一直伴随着政道。他对实验观测的一贯重视,也来自费密。

政道对物理学的贡献可以分为两个方面——理论物理方面的工作和对实验物理的推动。

李政道(左)、杨振宁(右)

1951年他到普林斯顿后,和杨振宁共同发表了两篇统计物理方面的论文,首次给出不同相热力学函数的严格定义。在此基础上,他们发现不同的热力学函数在有相变情况下是不可解析延拓的。相变是统计物理中的最基本问题。这一发现推翻了统计力学迈耶(M.Mayer)、玻恩(M. Born)和乌伦贝克(G. E. Uhlenbeck)等建立的相变基本观念,对后来惰性气体的实验起了很大作用。这两篇论文标志着统计力学对相变问题严格处理的新开端。著名的李、杨单元定理就是在那时候证明的。1952年他和Low、Pines对固体物理的极化子(polaron)构造作出基本性的理论分析。

李模型是政道1953年到哥伦比亚大学任教后的第一项工作,这是场论中少有的可解模型。政道证明,在该模型下,重整化可以严格推导出来。由此可以验证,在微扰论中,重整化不一定正确。这篇论文对以后的场论和重整化研究有很大的作用和影响。

不久,政道兴趣转向粒子物理。由于达立兹(R. Dalitz)等人的工作,有关奇异粒子的θ—τ谜成为当时粒子物理的主要问题。政道先后提出几种解释这一现象的模型。实验观测又使他意识到,必须对不同粒子反应过程中所有对称性的证据作仔细分析。

政道和杨振宁于1956年合作完成的论文"宇称在弱相互作用中是否守恒的问题",给出了实验测量离散对称性C(电荷共轭)、P(宇称)和T(时间反演)的严格条件,指出已有的弱相互作用的实验并未验证这些对称性,并在此基础上提出了几种检验弱相互作用宇称是否守恒的实验途径。1957年,他们又提出二分量中微子的理论,对宇称不守恒作出了定量的预言。在另一篇论文中,他们对T和CP不守恒问题,特别是在中性K介子作了系统研究,也提出了如何可以实验证明。

1957年1月,吴健雄小组通过β衰变实验,得到弱相互作用中宇称不守恒的明确实验证据。紧随吴健雄实验之后,有近百个不同实验得到同一结论。为此,政道和杨振宁荣获1957年度的诺贝尔物理学奖。这是中国人第一次获此殊荣。

在此后几年里,政道将在弱相互作用研究中新的思想推广到其他物理过程中。以对称性原理为出发点的研究成为60年代粒子物理的主流。

1957年-1960年,政道和杨振宁对量子统计力学进行了新的开发。他们和黄克孙研究了玻色硬球系统的统计。同时,政道和杨振宁建立了统计物理中多体问题通用的理论框架。他们发现有相互作用的玻色系统可以导致超流现象,从而对氦2的奇特性质有了进一步了解。

政道较早强调了高能中微子实验的重要性,并对早期实验作了理论上的促进。1961年,他在题为"高能中微子实验"的论文里,基于弱电统一的可能性,给出W粒子质量的上、下限分别为300和30吉电子伏。在另一篇与杨振宁合作的论文里,计算了W粒子在高能中微子束实验中的产生截面。这些计算是60年代寻找粒子的依据。这一时期受政道影响的一批实验至今仍是弱相互作用的主要信息源。

1964年,政道和诺伯格(M. Nauenberg)对零质量粒子理论中的发散作了进一步分析,并引入一套解决该问题的系统办法,有关结论被称为KLN定理。这是一个目前强相互作用实验中不可缺少的定理,也是用高能喷注去发现夸克和胶子的理论基础。

同年,CP不守恒的发现,证明了当时1957年李、杨和Oehme的理论建议之后,政道提出一系列CP不守恒的模型,并验证这些模型和当时的实验测量是相容的。几年后,他又在自发破缺的基础上提出另一模型,该模型至今仍是解决CP问题的可能性之一,也是目前建造B介子和τ轻子-粲夸克工厂等大型加速器的主要研究目标之一。

1969-1971年,政道同威克(G. C. Wick)提出一个解决量子场论中紫外发散的方法——在希尔伯特空间引入不定度规。他们发现,这类理论和已有实验结果并不矛盾。

1974年,政道和威克开始研究自发破缺的真空是否可能在一定条件下恢复破缺对称性。他们发现重离子碰撞中,在原子核大小的尺度上可以局部恢复对称性,而且造成可观测效果。相对论重离子碰撞这一领域可以说是由政道一手创造的。

政道与弗里德伯格(R. Friedberg)、希林(A. Sirlin)在70年代末找到一批场论中的经典解及其量子化解。政道称其为非拓扑孤子,建立了场论的一个新的领域。接着,他和弗里德伯格又将这种解用来建立强子模型。

从1982年起,政道对格点规范产生兴趣。为解决格点规范中的费密子谱倍增和平移、转动对称性破坏两大问题,政道和克里斯特(N. H. Christ)、弗里德伯格提出随机格点的理论。他还进一步提出一个问题:时间和空间是否可以是离散的?他们发现,已有理论都可以在离散的时空上描述。这套称为离散力学的理论可以是经典的,也可以是量子的。它是今后统一场论的可能途径之一。

1986年,收入了政道近200篇论文的三卷《李政道文集》出版。此后的十年,政道的研究课题包括孤子星、黑洞、凝聚态物理、多体物理、相对论重离子碰撞、粒子物理和场论等,这方面的70多篇论文将收入《李政道文集》第4卷。

孤子星是非拓扑孤子和广义相对论结合的产物,该领域是政道1986年创立的。他和弗里德伯格、庞阳详细研究了孤子星的特有性质,发现它们可以有各种大小质量。最大质量远远超过钱德拉塞卡极限,因此是暗物质、类星体等的理论模型之一。

1986年以来,政道和弗德伯格、任海沧在高温超导的研究中,探讨了凝聚态物理、多体统计等方面的问题。基于高温超导材料相干长度短的特性,政道对空间关联的库珀对作了分析,并和弗里德伯格一起提出玻色子-费密子超导模型,该模型结合了玻色-爱因斯坦凝聚和BCS理论。接着,又和弗里德伯格、任海沧一起对理论的实验观测作了预言。

关于理想带电玻色子的玻色-爱因斯坦凝聚,早在1955年沙弗罗斯(Schafroth)就作过相当的有影响的工作。但政道、弗里德伯格和任海沧发现沙弗罗斯的结果由于忽略了静电交换能,存在大的错误。对这一基本性问题,他们给出了新的正确解:理想带电玻色系统,在低密度下并非超导体,当密度超过某一临界值后才成为第二类超导体,其临界磁场远高于沙弗罗斯给出的值。

政道在超导研究中,提出了一个场论的基本问题:什么情况下一个复合粒子,比如库珀对,可以被看做是基本的自由度?是近似的还是严格的?政道对该问题作了解答,并和弗里德伯格、任海沧合作证明了一个严格的等同定理。根据这个定理,可以把任何纯费密系统当作费密子和基本玻色子,两者之间有短距离的排斥势。该定理为政道的玻色子-费密子超导模型确立了坚固的理论基础。

目前,政道正在研究量子色动力学真空和夸克禁闭的关系。这项研究和正在美国布鲁克海文国家实验室建造的相对论重离子加速器有直接关系。

总之,五十年来他的研究课题,除高能、粒子物理外,还广泛涉及天体物理、流体力学、统计物理、凝聚态物理、广义相对论等领域。对于自己的每项研究,他都从基本的原理和假定出发,推出所有必要的公式;对于别人的工作,他则着重了解其中的未知与未能之处,并常以别人尚不知或不能的难题作为自己新的研究方向。所以,一旦进入一个领域,他便能不受已有方法的束缚,常常很快得到别人没有的结果,彻底地改变这个领域的面貌。对政道,科学研究的路总是自己重新开拓的,结果又是别人过去没有得到的。

政道从事的是理论物理工作,但他的理论物理生涯一直和实验物理工作有密切的联系。作为一个在美国的物理学家,他十分热心为美国的物理学的发展而努力,每当美国物理学尤其是高能物理研究遇到困难,他总是挺身而出,向国会和政府据理力争。政道还十分关心并尽自己能力支持和帮助其他国家的科学发展。在国际物理学界,他不仅是一位勤奋而有成就的学者,而且是一个杰出的勇士和活动家,受到普遍的尊敬。全世界高能物理实验的发展进程中都有他的足迹,高能实验物理学家都和他有很深的友情。

随着21世纪的临近,"细推物理"半世纪之久的政道,又把目光投向下世纪物理学的发展。正如政道常说的:"物理是我的生活方式"。

李政道(前排左二)与中国物理学家。来源:李政道数字图书馆

1972年,中美关系开始走向正常,政道和夫人秦惠䇹女士有机会回国访问。看到当时国内科学、教育的状况,他心中十分担忧。在见到国家领导人时,多次坦陈己见。当他在各地参观时,看到为样板戏训练人才的少年班,觉得这也许是当时环境下培养科学人才的一条可行之路。政道的意见遭到"四人帮"反对,为此他还和"四人帮"有过一场激烈的辩论,后来毛泽东主席接受了他的建议,促进了教育的部分恢复。

"四人帮"垮台后,国内百废待兴。振兴教育更是其中一项要务。政道便利用暑假回国为中国科技大学研究生院师生讲课,全国各校组织了约千名师生在北京友谊宾馆听讲。一个夏天,开了"场论与粒子物理"和"统计物理"两门课,每天讲三小时。他由浅入深地讲授,系统地介绍了当代物理的最新发展。

国家开始选派年轻学生出国读大学,并派遣教师、科研人员出国进修。政道在美国专门设立了一个高能物理实验领域的中国访问学者项目,在美国称为"李政道学者"。在他的安排下,这些访问学者都进入了高能物理的前沿领域,为以后北京正负电子对撞机的建设和高能物理研究培养了人才。

针对当时中国的情况,为培养一流科研人才并为高校建立国际联系,政道认为,最有效的方法是挑选优秀大学生出国攻读博士学位。那时,国内尚未开设GRE和TOEFL考试。由于缺少一个客观可行的办法来评价中国学生,美国的一流研究生院难以录取中国学生。为此,政道亲自设计了中美联合招考物理研究生项目(CUSPEA),每年约有100名中国物理系高年级学生通过考试进入美国一流的研究生院。

这一形式很快也被化学、生物等学科采用,所有通过CUSPEA考试的学生都得到美方的全额奖学金。CUSPEA和美国的入学手续有些不同,为了使中国学生能在大学毕业后立刻进研究生院,政道教授和他的助手特拉梅(Tramm)女士,每年都要花很多精力和时间,向70多所美国院校的招生部门作解释和安排,有关国内事物则由吴塘、沈克琦等先生协助组织。

从1979年开始到1989年结束,通过CUSPEA考试共培养了915名学生。这些学生,在美的学业大都在各校各系中名列前茅,为祖国和母校争得了荣誉。其中的不少人在学业有成后,又在各自的研究领域内取得了杰出成绩。他们当中有些人已回国工作,成为所在单位的骨干;更多的则周期性回国讲学,成为沟通国内和国际学术联系的重要桥梁。

1979年1月,在美国斯坦福直线加速器中心,政道和帕诺夫斯基(Panofsky)一起组织了第一次中美高能物理会谈。会谈后,两国正式成立了中美高能物理合作项目,至今已有十七年了。通过这一合作渠道,在政道的精心安排下,美国高能物理实验室和科学家为BEPC的设计、建造提出了大量技术上支持。

1979年,李政道访问中科院高能所。来源:中国高等科学技术中心

1984年10月,李政道、邓小平在BEPC开工典礼上。来源:中国高等科学技术中心

在北京建造能区为3-6吉电子伏的正负电子对撞机的建议是1981年提出的,这项有关中国高能物理研究和科技发展的关键决策中,政道起了十分重要的作用。他力主整个加速器和探测器都在中国建造。BEPC于1984年动工后,在四年内建成了。现在,它是世界上这一能区最先进的实验装置,有50多位美国及其他国家的科学家来进行合作研究。1992年,BEPC上有关τ轻子质量的精确测量,被称为当年国际粒子物理实验中最重要的结果。

1985年和1986年,经政道建议,中国建立了博士后制度。政道还帮助设计了博士后制度。在博士后制度实行前,国内青年科研人员对研究单位选择余地很少,不同单位间研究人员也很少流动。博士后制度的建立从根本上改变这一状况。现在博士后的规模已扩大了好几倍,最初只有250名,而1996年博士后名额已过3000名,每年的新博士后就有近1200名。政道还积极推进我国自然科学基金的设立并帮助提出自然科学基金的具体实施方案,在中国首次将同行评审引入科研经费的分配。十年来,它已成为促进中国基础科学发展的有效手段。

让自己钟情的现代科学技术在中国的土地上生根开花结果,是政道的一大夙愿。为了创造一个良好的学术环境,促进科研人员、尤其是青年科研人员在国内的工作和交流,组织海外中国青年学者回国短期工作和讲学,在他的努力下,1986年成立了中国高等科学技术中心(CCAST)和北京近代物理中心(BIMP)。CCAST的主要经费来自瑞士的世界实验室,政道为主任,原中国科学院院长周光召为副主任。CCAST每年约组织25个工作月,有来自全国各地的近千名科研人员参加研讨,讨论的课题除物理外,还有环境科学等内容。BIMP则几乎每天都有学术报告会,内容包括物理、化学、生物和各种交叉学科。

政道曾在十年前,六十岁生日时写的《六十回忆》一文中谈到:"四十年前,经吴大猷教授的推荐,我获取了中国政府的一笔奖学金赴美留学,在物理学方面继续深造。这一难得的机会改变了我的一生。一个人的成功有着各种各样的因素,其中'机遇'也许是最重要的,也是难驾驭的。尽管成功的机遇不可预定,但它的几率却可以大大增加。通过吴教授,我方能得到这一机遇。我对这一机遇的珍视,是促使我近年来组织CUSPEA考试的主因之一。希望更多类似的机遇能够光顾年轻人"。

政道多年来为祖国、为科学所做的一切,正是在给年轻一代创造机遇。

近二十年来,政道为祖国的科学和教育事业倾注了诸多心血。今天,北京正负电子对撞机已做出世界公认的一流高能物理实验;博士后流动站设立愈益普遍;国家自然科学基金逐年大幅增长;经中美联合考试赴美学子学业有成,逐步回国工作和定期回国讲学;中国高等科学技术中心已在国际上享有相当威望;北京现代物理研究中心、浙江近代物理中心、复旦大学李政道物理实验室先后成立,在这些世人有目共睹的进步当中,无不包含着政道的建议、推动和辛勤操劳。

政道不仅对物理学的研究有很大成就,而且还对艺术和祖国的历史文化有很浓的兴趣和很深的造诣,在科学和艺术的关系上有着很深的研究。他常常和艺术家一起研讨,是很多艺术家的好朋友。

1957年12月李政道、秦惠䇹夫妇前往斯德哥尔摩领奖。来源:中国经济网

特别要指出的是,政道几十年的所有科学成就和为祖国科教事业的贡献,无不是在他最亲爱的夫人秦惠䇹女士全力帮助和支持下取得的。政道的所有成就和贡献包含了惠䇹这位贤妻良母近四十八年对政道个人和家庭乃至科学和祖国的奉献。正如政道常说的,他事业上的成功是和惠䇹分不开的。

使我们十分痛心的是惠䇹夫人已在1997年11月29日被病魔夺去了生命,永远离开了我们。这对政道是一个极大的打击。但他没有被打倒,他坚强地、更加全身心地投入了科学事业。以此来寄托他对最亲爱的惠䇹夫人的哀思。

年已古稀的政道是科学上有很大成就的名人,仍经常一天工作十七八个小时,每次回国更是繁忙,但看到国内关于自己的报道每冠以"著名物理学家"的称号时常说,"如读者不知此人,这'著名'二字就是虚的,反之则是多余的"。国内熟悉内情的人常用"呕心沥血"来说明他为物理科学和祖国科教事业的辛劳,可他为科学,为自己血脉、亲情所系的故土工作时的快乐感的心声却蕴涵在他十分喜欢的杜甫的诗句之中:"细推物理须行乐,何用浮名绊此生。"

2006年11月24日,在北京人民大会堂举办的“李政道从事物理研究六十年学术思想研讨会”上,李政道在“物理的人生”演讲中引用杜甫诗句。来源:中国高等科学技术中心

本文系1996年11月,原中国工程科学院(中国工程院前身)院长朱光亚院士在中国高等科技中心和北京近代物理中心成立10周年大会上的演讲。图片为编者所加,版权归原作者所有。


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