朱光亞：李政道物理生涯五十年

編者按：

11月29日，剛剛度過90歲華誕的李政道先生在上海創辦「像玻爾研究所這樣頂尖的科學研究機構」——李政道研究所，希望成為吸引國際頂尖科學家的品牌，同樣也在若干年後造就一批頂尖的科學家。

李振道先生在2014年給中央領導的信中寫道：「構建科技強國需要一流人才，我很希望能在上海交大建立一個國際化的科學研究所，主要從事21世紀物理和天文方面的最前沿的科學研究，包括暗物質和暗能量的研究，尋找宇宙中極大和極小之間的關聯，探索自然界最基本和最深刻的相互規律，建造第一流的國際學術和生活環境，把世界上最優秀的科學家吸引過來，讓他們和國內最拔尖的青年學者一起討論、共同工作。我想，若干年後，一定能夠歷練出更多的祖國自己的頂尖學者。」

90歲高齡的人本可安享晚年。這封信里透露出來的老一輩科學家的報國情懷，以及剛剛創辦的李政道研究所的眼光與抱負，無不令人動容。回想20年前，1996年，中國工程科學院（中國工程院前身）院長朱光亞先生在一次公開演講中回顧了李政道先生五十年的物理生涯以及二十多年來對祖國事業的貢獻，或可以讓我們對李政道先生為中國科學，為自己血脈、親情所系的故土工作，不辭辛勞、「嘔心瀝血」的事迹，多一些了解。

撰文 | 朱光亞

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我和政道之間的友誼是五十年前在昆明西南聯大時開始的。當時我們曾一起聽吳大猷教授講授量子力學。1946年秋我們一起坐船去美國留學。同行的還有華羅庚、曾昭掄兩位教授和唐敖慶、王瑞、孫本旺三位同學，到美國後，政道進入芝加哥大學，我隨吳大猷先生去密執安大學。兩地相距不遠，政道常來Ann Arbor，或是看望吳大猷先生夫婦並研討科學上的熱點問題，或是參加密大每年夏季舉行的高層次講座和研討會。那時候，楊振寧先生也去該校求學，常來密校。

1950年我回國後，聯繫曾一度中斷。1972年起，我們又在北京經常相聚。半個世紀過去了，而今政道也已古稀之年了，但當時的情景仍歷歷在目。因此，我非常高興在此把我所知道的政道青年時代的經歷和學習情況，和經柳懷祖、龐陽等幾位朋友幫助整理的政道五十年來在物理學上的成就及二十多年來對祖國事業的貢獻，作一簡要介紹。

1926年11月25日，政道教授誕生於上海。他自幼喜愛讀書。父母對他愛看書的習慣也非常支持。

在以後的歲月中，他一直保持這一幼年養成的習慣。在青年時期博覽的群書中，他對愛丁頓（A.S. Eddington）的《膨脹的宇宙》留有深刻印象，喚起他的想像力，使他對科學更有興趣，同時博覽群書也使他對藝術和歷史有很大興趣。給我深刻啟示的一點，他每讀一本專著，知道提出的是什麼問題後，要先看最後得到的是什麼結論，再通過自己的獨立思考，提出自己對問題可以如何解決的見解，與作者的工作論述進行核對、比較。

?少年時期的李政道。來源：江蘇理工學院物理實驗中心

1941年12月，日本侵略軍進入上海租界。當時，他剛滿十五歲，便隻身離家從上海去浙江求學。在此後的三年里，隨著流浪的生活，由浙江經福建、江西、兩廣，抵貴州進入浙江大學。不久，狼煙流至貴州，他又去了四川，最後到達昆明，轉入西南聯大求學。從浙江至貴州的途中，衣食全無保障，瘧、痢等疾流行。他時而單獨，時而和其他愛國學生結伴，主要靠徒步跋涉，運氣好時就搭一段"黃魚"車。途中還遇一次車禍受了重傷，半年多卧床不起。

西南聯合大學在昆明條件很差，學生宿舍、教室很簡陋，圖書館照明也不好。當地茶館晚上有汽燈，而聯大校舍中沒有，很多學生便在茶館買一杯茶，這樣可以佔一位子坐一個晚上甚至一整天。李政道入聯大是二年級轉學生，由於他學習超前，所以學校同意他上大三和大四的課程，對大二的課程，則只需參加考試。

當時浙江大學和西南聯大的物質條件都很差，可是有王淦昌、束星北、吳大猷、葉企孫、趙忠堯、王竹溪等第一流的老師，學習氣氛是很濃的。當年同學們對祖國未來充滿信心。

日本投降後，1946年吳大猷老師得到一筆經費出國研究，可有兩名研究生隨行。吳先生選了政道和我。當時政道雖已具備很好的經典和近代物理基礎，但名義上還只有大學二年級學生。到芝加哥大學後，他因沒有大學文憑（其實因抗戰，他甚至連中學和小學也沒畢業），不能當正式研究生，只能先當非正式生。但進入研究生院不久，由於他的天才和勤奮，很快得到了物理系費密（E. Fermi）、泰勒（E. Teller）和扎克賴亞森（Zachariasen）等教授的賞識，很快成了正式研究生。

?費密（E. Fermi）。來源：Department of Energy. Office of Public Affairs

芝加哥大學物理系由於有費密等一批傑出物理學家，而成為當時世界活躍的物理中心。當費密要政道跟他做博士論文時，政道很覺興奮。此時，費密除有理論方面的學生政道外，還有兩位實驗方面的學生，斯坦伯格（J. Steinberger）和加文（R. Garwin）。費密每星期和政道單獨討論半天時間。每次討論費密教師選提一些問題，要政道在下一周內向他報告，並共同討論。往往很快就變成研究項目。

當時的恆星演變理論認為，恆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就該是氫。但政道用新的星體結構穩性考慮，他證明，其氫的含量不大於1%。因此，白矮星只能是恆星演變的後期，而不是開始。這一工作，改變了當時對星體演變的基本觀念，後來成為他的博士論文。

他和費密的討論涉及廣泛的物理領域，諸如天體、流體、粒子、統計、核物理等。在流體力學裡，政道發現，要產生湍流， 必須在三維空間。這是流體力學和湍流學中的一條重要定理。

?1965年，李政道在CERN的一次中微子會議上演講弱相互作用問題。來源：中國高等科學技術中心

關於弱相互作用普遍性假設的論文，也始於同費密的討論。政道與泰勒的兩位學生羅森布魯斯（M. Resenbluth）和楊振寧一起，對β衰變、μ介子的衰變及俘獲進行了整體分析，發現這些過程都具有相同的強度。他們同時預言，這類相互作用可以由重的中間粒子來傳遞。之後，政道成功地預言了這中間玻色子的存在，並取名為W（借用英文weak一字的第一字母）粒子。

費密的嚴格科學態度，公正待人方法，一直伴隨著政道。他對實驗觀測的一貫重視，也來自費密。

政道對物理學的貢獻可以分為兩個方面——理論物理方面的工作和對實驗物理的推動。

?李政道（左）、楊振寧（右）

1951年他到普林斯頓後，和楊振寧共同發表了兩篇統計物理方面的論文，首次給出不同相熱力學函數的嚴格定義。在此基礎上，他們發現不同的熱力學函數在有相變情況下是不可解析延拓的。相變是統計物理中的最基本問題。這一發現推翻了統計力學邁耶（M. Mayer）、玻恩（M. Born）和烏倫貝克（G. E. Uhlenbeck）等建立的相變基本觀念，對後來惰性氣體的實驗起了很大作用。這兩篇論文標誌著統計力學對相變問題嚴格處理的新開端。著名的李、楊單元定理就是在那時候證明的。1952年他和Low、Pines對固體物理的極化子（polaron）構造作出基本性的理論分析。

李模型是政道1953年到哥倫比亞大學任教後的第一項工作，這是場論中少有的可解模型。政道證明，在該模型下，重整化可以嚴格推導出來。由此可以驗證，在微擾論中，重整化不一定正確。這篇論文對以後的場論和重整化研究有很大的作用和影響。

不久，政道興趣轉向粒子物理。由於達立茲（R. Dalitz）等人的工作，有關奇異粒子的θ—τ謎成為當時粒子物理的主要問題。政道先後提出幾種解釋這一現象的模型。實驗觀測又使他意識到，必須對不同粒子反應過程中所有對稱性的證據作仔細分析。

政道和楊振寧於1956年合作完成的論文"宇稱在弱相互作用中是否守恆的問題"，給出了實驗測量離散對稱性C（電荷共軛）、P（宇稱）和T（時間反演）的嚴格條件，指出已有的弱相互作用的實驗並未驗證這些對稱性，並在此基礎上提出了幾種檢驗弱相互作用宇稱是否守恆的實驗途徑。1957年，他們又提出二分量中微子的理論，對宇稱不守恆作出了定量的預言。在另一篇論文中，他們對T和CP不守恆問題，特別是在中性K介子作了系統研究，也提出了如何可以實驗證明。

1957年1月，吳健雄小組通過β衰變實驗，得到弱相互作用中宇稱不守恆的明確實驗證據。緊隨吳健雄實驗之後，有近百個不同實驗得到同一結論。為此，政道和楊振寧榮獲1957年度的諾貝爾物理學獎。這是中國人第一次獲此殊榮。

在此後幾年裡，政道將在弱相互作用研究中新的思想推廣到其他物理過程中。以對稱性原理為出發點的研究成為60年代粒子物理的主流。

1957年-1960年，政道和楊振寧對量子統計力學進行了新的開發。他們和黃克孫研究了玻色硬球系統的統計。同時，政道和楊振寧建立了統計物理中多體問題通用的理論框架。他們發現有相互作用的玻色系統可以導致超流現象，從而對氦2的奇特性質有了進一步了解。

政道較早強調了高能中微子實驗的重要性，並對早期實驗作了理論上的促進。1961年，他在題為"高能中微子實驗"的論文里，基於弱電統一的可能性，給出W粒子質量的上、下限分別為300和30吉電子伏。在另一篇與楊振寧合作的論文里，計算了W粒子在高能中微子束實驗中的產生截面。這些計算是60年代尋找粒子的依據。這一時期受政道影響的一批實驗至今仍是弱相互作用的主要信息源。

1964年，政道和諾伯格（M. Nauenberg）對零質量粒子理論中的發散作了進一步分析，並引入一套解決該問題的系統辦法，有關結論被稱為KLN定理。這是一個目前強相互作用實驗中不可缺少的定理，也是用高能噴注去發現夸克和膠子的理論基礎。

同年，CP不守恆的發現，證明了當時1957年李、楊和Oehme的理論建議之後，政道提出一系列CP不守恆的模型，並驗證這些模型和當時的實驗測量是相容的。幾年後，他又在自發破缺的基礎上提出另一模型，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之一。

1969-1971年，政道同威克（G. C. Wick）提出一個解決量子場論中紫外發散的方法——在希爾伯特空間引入不定度規。他們發現，這類理論和已有實驗結果並不矛盾。

1974年，政道和威克開始研究自發破缺的真空是否可能在一定條件下恢復破缺對稱性。他們發現重離子碰撞中，在原子核大小的尺度上可以局部恢復對稱性，而且造成可觀測效果。相對論重離子碰撞這一領域可以說是由政道一手創造的。

政道與弗里德伯格（R. Friedberg）、希林（A. Sirlin）在70年代末找到一批場論中的經典解及其量子化解。政道稱其為非拓撲孤子，建立了場論的一個新的領域。接著，他和弗里德伯格又將這種解用來建立強子模型。

從1982年起，政道對格點規範產生興趣。為解決格點規範中的費密子譜倍增和平移、轉動對稱性破壞兩大問題，政道和克里斯特（N. H. Christ）、弗里德伯格提出隨機格點的理論。他還進一步提出一個問題：時間和空間是否可以是離散的？他們發現，已有理論都可以在離散的時空上描述。這套稱為離散力學的理論可以是經典的，也可以是量子的。它是今後統一場論的可能途徑之一。

1986年，收入了政道近200篇論文的三卷《李政道文集》出版。此後的十年，政道的研究課題包括孤子星、黑洞、凝聚態物理、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多篇論文將收入《李政道文集》第4卷。

孤子星是非拓撲孤子和廣義相對論結合的產物，該領域是政道1986年創立的。他和弗里德伯格、龐陽詳細研究了孤子星的特有性質，發現它們可以有各種大小質量。最大質量遠遠超過錢德拉塞卡極限，因此是暗物質、類星體等的理論模型之一。

1986年以來，政道和弗德伯格、任海滄在高溫超導的研究中，探討了凝聚態物理、多體統計等方面的問題。基於高溫超導材料相干長度短的特性，政道對空間關聯的庫珀對作了分析，並和弗里德伯格一起提出玻色子-費密子超導模型，該模型結合了玻色-愛因斯坦凝聚和BCS理論。接著，又和弗里德伯格、任海滄一起對理論的實驗觀測作了預言。

關於理想帶電玻色子的玻色-愛因斯坦凝聚，早在1955年沙弗羅斯（Schafroth）就作過相當的有影響的工作。但政道、弗里德伯格和任海滄發現沙弗羅斯的結果由於忽略了靜電交換能，存在大的錯誤。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，在低密度下並非超導體，當密度超過某一臨界值後才成為第二類超導體，其臨界磁場遠高於沙弗羅斯給出的值。

政道在超導研究中，提出了一個場論的基本問題：什麼情況下一個複合粒子，比如庫珀對，可以被看做是基本的自由度？是近似的還是嚴格的？政道對該問題作了解答，並和弗里德伯格、任海滄合作證明了一個嚴格的等同定理。根據這個定理，可以把任何純費密系統當作費密子和基本玻色子，兩者之間有短距離的排斥勢。該定理為政道的玻色子-費密子超導模型確立了堅固的理論基礎。

目前，政道正在研究量子色動力學真空和夸克禁閉的關係。這項研究和正在美國布魯克海文國家實驗室建造的相對論重離子加速器有直接關係。

總之，五十年來他的研究課題，除高能、粒子物理外，還廣泛涉及天體物理、流體力學、統計物理、凝聚態物理、廣義相對論等領域。對於自己的每項研究，他都從基本的原理和假定出發，推出所有必要的公式；對於別人的工作，他則著重了解其中的未知與未能之處，並常以別人尚不知或不能的難題作為自己新的研究方向。所以，一旦進入一個領域，他便能不受已有方法的束縛，常常很快得到別人沒有的結果，徹底地改變這個領域的面貌。對政道，科學研究的路總是自己重新開拓的，結果又是別人過去沒有得到的。

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驗物理工作有密切的聯繫。作為一個在美國的物理學家，他十分熱心為美國的物理學的發展而努力，每當美國物理學尤其是高能物理研究遇到困難，他總是挺身而出，向國會和政府據理力爭。政道還十分關心並盡自己能力支持和幫助其他國家的科學發展。在國際物理學界，他不僅是一位勤奮而有成就的學者，而且是一個傑出的勇士和活動家，受到普遍的尊敬。全世界高能物理實驗的發展進程中都有他的足跡，高能實驗物理學家都和他有很深的友情。

隨著21世紀的臨近，"細推物理"半世紀之久的政道，又把目光投向下世紀物理學的發展。正如政道常說的："物理是我的生活方式"。

?李政道（前排左二）與中國物理學家。來源：李政道數字圖書館

1972年，中美關係開始走向正常，政道和夫人秦惠?女士有機會回國訪問。看到當時國內科學、教育的狀況，他心中十分擔憂。在見到國家領導人時，多次坦陳己見。當他在各地參觀時，看到為樣板戲訓練人才的少年班，覺得這也許是當時環境下培養科學人才的一條可行之路。政道的意見遭到"四人幫"反對，為此他還和"四人幫"有過一場激烈的辯論，後來毛澤東主席接受了他的建議，促進了教育的部分恢復。

"四人幫"垮台後，國內百廢待興。振興教育更是其中一項要務。政道便利用暑假回國為中國科技大學研究生院師生講課，全國各校組織了約千名師生在北京友誼賓館聽講。一個夏天，開了"場論與粒子物理"和"統計物理"兩門課，每天講三小時。他由淺入深地講授，系統地介紹了當代物理的最新發展。

國家開始選派年輕學生出國讀大學，並派遣教師、科研人員出國進修。政道在美國專門設立了一個高能物理實驗領域的中國訪問學者項目，在美國稱為"李政道學者"。在他的安排下，這些訪問學者都進入了高能物理的前沿領域，為以後北京正負電子對撞機的建設和高能物理研究培養了人才。

針對當時中國的情況，為培養一流科研人才並為高校建立國際聯繫，政道認為，最有效的方法是挑選優秀大學生出國攻讀博士學位。那時，國內尚未開設GRE和TOEFL考試。由於缺少一個客觀可行的辦法來評價中國學生，美國的一流研究生院難以錄取中國學生。為此，政道親自設計了中美聯合招考物理研究生項目（CUSPEA），每年約有100名中國物理系高年級學生通過考試進入美國一流的研究生院。

這一形式很快也被化學、生物等學科採用，所有通過CUSPEA考試的學生都得到美方的全額獎學金。CUSPEA和美國的入學手續有些不同，為了使中國學生能在大學畢業後立刻進研究生院，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時間，向70多所美國院校的招生部門作解釋和安排，有關國內事物則由吳塘、沈克琦等先生協助組織。

從1979年開始到1989年結束，通過CUSPEA考試共培養了915名學生。這些學生，在美的學業大都在各校各系中名列前茅，為祖國和母校爭得了榮譽。其中的不少人在學業有成後，又在各自的研究領域內取得了傑出成績。他們當中有些人已回國工作，成為所在單位的骨幹；更多的則周期性回國講學，成為溝通國內和國際學術聯繫的重要橋樑。

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（Panofsky）一起組織了第一次中美高能物理會談。會談後，兩國正式成立了中美高能物理合作項目，至今已有十七年了。通過這一合作渠道，在政道的精心安排下，美國高能物理實驗室和科學家為BEPC的設計、建造提出了大量技術上支持。

?1979年，李政道訪問中科院高能所。來源：中國高等科學技術中心

?1984年10月，李政道、鄧小平在BEPC開工典禮上。來源：中國高等科學技術中心

在北京建造能區為3-6吉電子伏的正負電子對撞機的建議是1981年提出的，這項有關中國高能物理研究和科技發展的關鍵決策中，政道起了十分重要的作用。他力主整個加速器和探測器都在中國建造。BEPC於1984年動工後，在四年內建成了。現在，它是世界上這一能區最先進的實驗裝置，有50多位美國及其他國家的科學家來進行合作研究。1992年，BEPC上有關τ輕子質量的精確測量，被稱為當年國際粒子物理實驗中最重要的結果。

1985年和1986年，經政道建議，中國建立了博士後制度。政道還幫助設計了博士後制度。在博士後制度實行前，國內青年科研人員對研究單位選擇餘地很少，不同單位間研究人員也很少流動。博士後制度的建立從根本上改變這一狀況。現在博士後的規模已擴大了好幾倍，最初只有250名，而1996年博士後名額已過3000名，每年的新博士後就有近1200名。政道還積極推進我國自然科學基金的設立並幫助提出自然科學基金的具體實施方案，在中國首次將同行評審引入科研經費的分配。十年來，它已成為促進中國基礎科學發展的有效手段。

讓自己鍾情的現代科學技術在中國的土地上生根開花結果，是政道的一大夙願。為了創造一個良好的學術環境，促進科研人員、尤其是青年科研人員在國內的工作和交流，組織海外中國青年學者回國短期工作和講學，在他的努力下，1986年成立了中國高等科學技術中心（CCAST）和北京近代物理中心（BIMP）。CCAST的主要經費來自瑞士的世界實驗室，政道為主任，原中國科學院院長周光召為副主任。CCAST每年約組織25個工作月，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，還有環境科學等內容。BIMP則幾乎每天都有學術報告會，內容包括物理、化學、生物和各種交叉學科。

政道曾在十年前，六十歲生日時寫的《六十回憶》一文中談到："四十年前，經吳大猷教授的推薦，我獲取了中國政府的一筆獎學金赴美留學，在物理學方面繼續深造。這一難得的機會改變了我的一生。一個人的成功有著各種各樣的因素，其中機遇也許是最重要的，也是難駕馭的。儘管成功的機遇不可預定，但它的幾率卻可以大大增加。通過吳教授，我方能得到這一機遇。我對這一機遇的珍視，是促使我近年來組織CUSPEA考試的主因之一。希望更多類似的機遇能夠光顧年輕人"。

政道多年來為祖國、為科學所做的一切，正是在給年輕一代創造機遇。

近二十年來，政道為祖國的科學和教育事業傾注了諸多心血。今天，北京正負電子對撞機已做出世界公認的一流高能物理實驗；博士後流動站設立愈益普遍；國家自然科學基金逐年大幅增長；經中美聯合考試赴美學子學業有成，逐步回國工作和定期回國講學；中國高等科學技術中心已在國際上享有相當威望；北京現代物理研究中心、浙江近代物理中心、復旦大學李政道物理實驗室先後成立，在這些世人有目共睹的進步當中，無不包含著政道的建議、推動和辛勤操勞。

政道不僅對物理學的研究有很大成就，而且還對藝術和祖國的歷史文化有很濃的興趣和很深的造詣，在科學和藝術的關係上有著很深的研究。他常常和藝術家一起研討，是很多藝術家的好朋友。

?1957年12月李政道、秦惠?夫婦前往斯德哥爾摩領獎。來源：中國經濟網

特別要指出的是，政道幾十年的所有科學成就和為祖國科教事業的貢獻，無不是在他最親愛的夫人秦惠?女士全力幫助和支持下取得的。政道的所有成就和貢獻包含了惠?這位賢妻良母近四十八年對政道個人和家庭乃至科學和祖國的奉獻。正如政道常說的，他事業上的成功是和惠?分不開的。

使我們十分痛心的是惠?夫人已在1997年11月29日被病魔奪去了生命，永遠離開了我們。這對政道是一個極大的打擊。但他沒有被打倒，他堅強地、更加全身心地投入了科學事業。以此來寄託他對最親愛的惠?夫人的哀思。

年已古稀的政道是科學上有很大成就的名人，仍經常一天工作十七八個小時，每次回國更是繁忙，但看到國內關於自己的報道每冠以"著名物理學家"的稱號時常說，"如讀者不知此人，這著名二字就是虛的，反之則是多餘的"。國內熟悉內情的人常用"嘔心瀝血"來說明他為物理科學和祖國科教事業的辛勞，可他為科學，為自己血脈、親情所系的故土工作時的快樂感的心聲卻蘊涵在他十分喜歡的杜甫的詩句之中："細推物理須行樂，何用浮名絆此生。"

?2006年11月24日，在北京人民大會堂舉辦的「李政道從事物理研究六十年學術思想研討會」上，李政道在「物理的人生」演講中引用杜甫詩句。來源：中國高等科學技術中心

本文系1996年11月，原中國工程科學院（中國工程院前身）院長朱光亞院士在中國高等科技中心和北京近代物理中心成立10周年大會上的演講。圖片為編者所加，版權歸原作者所有。

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