李政道丨圖源：上海交通大學李政道研究所官網(wǎng)

引言： 

中國科學院外籍院士，諾貝爾物理學獎獲得者，著名美籍華裔物理學家李政道先生，于當?shù)貢r間2024年8月4日凌晨2時33分，在美國舊金山家中去世，享年97周歲。我們沉痛悼念并深切緬懷李政道先生！李政道先生為物理學的發(fā)展做出了持久而明確的貢獻。他的逝世是全球科技界的重大損失。

李政道于1926年11月24日出生于中國上海市，祖籍江蘇蘇州。1943至1945年就讀于浙江大學、西南聯(lián)合大學。1946年入讀美國芝加哥大學研究生院，師從著名物理學家、諾獎得主家費米(Fermi)，1950年6月獲博士學位。1950至1953年在芝加哥大學、加州大學伯克利分校、普林斯頓高等研究院從事研究工作。1953至1960年在哥倫比亞大學任教，1960至1963年任普林斯頓高等研究院教授兼哥倫比亞大學教授，1964年當選哥倫比亞大學費米物理學講座教授，1983年起任哥倫比亞大學全校講座教授，2011年以85歲高齡從哥倫比亞大學榮退。1984年被聘為北京大學名譽教授。曾任北京現(xiàn)代物理研究中心主任、北京大學高能物理研究中心主任。2014年開始推動上海交通大學李政道研究所建設, 2018年起擔任上海交通大學李政道研究所榮譽所長。

“細推物理須行樂，何用浮名絆此身?！崩钫老壬耐ㄌ煊?，用近百年的物理人生譜寫出不朽的傳奇華章。物理是李政道先生的生活方式，他樂在其中。李政道曾說過，“試圖以我們有限的人類智慧去理解大自然的無限奇跡，是一個永無止境的故事。”他也是這樣踐行的。

在緬懷李先生的時刻，這里我們通過其學術生涯的介紹，并結合相關物理研究方向，總結他的一些重要學術貢獻。李政道先生的科學成就非凡, 有許多開創(chuàng)性和具有里程碑意義的杰出貢獻。雖然作者從事物理研究多年，但是能力有限，不能全貌掌握其科學成就的精髓，謹以本文拋磚引玉，向李政道先生致敬。

何小剛 | 撰文

初出茅廬， 躋身大師行列

李政道的第一篇學術論文是在攻讀博士期間與諾森布盧瑟（M. Rosenbluth）和楊振寧在1949年完成的。這是一篇不到一頁的短文[1]，如下圖所示。李政道1946年進入美國芝加哥大學師隨大名鼎鼎的費米教授。那時正是弱相互作用經(jīng)典發(fā)展期的后期(1898 - 1949),即從弱相互作用的貝塔衰變的發(fā)現(xiàn)，到觀測到連續(xù)貝塔衰變能譜，再到泡利認識到中微子存在的必要性，進而由費米建立貝塔衰變理論，人們對貝塔衰變認識逐步加深，費米的理論開始成為描述貝塔衰變的主流理論的發(fā)展階段。與費米的互動, 讓李政道自然很快進入了相關的研究。

在這篇論文中，李政道他們通過當時已比較精準測量到的有中微子參與的弱相互作用過程: 核的貝塔衰變，繆（μ）俘獲過程μ + p -> n + ν 散射以及繆輕子μ -> e + ν + anti-ν 衰變壽命，并經(jīng)過系統(tǒng)分析后發(fā)現(xiàn)，這些過程的相互作用耦合常數(shù)基本相等。因此提出這些過程由同費米相互作用力描述（Universal Fermi Interaction）的構想。同樣的結論，同期也獨立地由克萊因（O. Klein), 普丕(G. Puppi), 蒂姆諾 (J. Tiomno) 和惠勒（J. Wheeler)得到。現(xiàn)在看起來覺得是比較簡單的系統(tǒng)分析。但是把幾個不同的過程聯(lián)系起來，并提出統(tǒng)一的費米相互作用是一個非常大膽的突破性進展。李政道先生他們進一步尋找更深層的原因，提出了這一現(xiàn)象是因為基本的弱相互作用可能是由同一個重的中間玻色子傳播而引起的設想，為弱相互作用模型的建構開辟了新方向。憑著非同凡響的物理洞察力，李政道初出茅廬便躋身大師行列。

后來李政道把這一中間玻色子粒子叫作W粒子，也就是現(xiàn)在標準模型中的W粒子。多年后的1971年，他還通過理論和精確的繆子壽命估計W粒子的質量[2]。這一基本弱作用傳播粒子W, 于1983年分別由盧比亞（C. Rubbia）和達里拉特（P. Darriulat）領導的UA1和UA2實驗小組在日內瓦歐洲粒子物理中心（CERN）發(fā)現(xiàn)。

李政道先生的第二篇學術論文是以他的博士畢業(yè)論文為主撰寫發(fā)表的[3]。當時人們關心的關鍵問題是, 白矮星是否含有足夠的氫, 并依賴核能提供它們的發(fā)光能量。在糾正了當時對于太陽一類恒星演化過程的錯誤認識后,他得到了正確的錢德拉塞卡(S. Chandrasekhar)的白矮星質量限制, 1.44 個太陽質量。計算還表明，白矮星的能量輸出不可能是內部發(fā)生核反應的結果。第一個正確完成電導率簡并物質的計算。這兩篇論文, 奠定了李先生在物理研究方面的高起點。

涉獵廣泛，影響力抵達新高度

畢業(yè)后, 1950-53 年間，李政道先生在威斯康星州耶克斯天文臺、 加州大學伯克利分校和新澤西州普林斯頓高等研究院任職。隨后，李先生在基本粒子、統(tǒng)計力學、場論、天體物理學、凝聚態(tài)物理和湍流方面的工作，解決了幾個長期存在且極其復雜的問題。當時的普林斯頓高等研究院所長奧本海默(J. Robert Oppenheimer)稱贊他是當時已知的最杰出的理論物理學家之一，其工作的特點是“非凡的新穎性、頗具廣度和優(yōu)雅”。

在此期間, 李政道先生1951年完成的湍流相關的論文[4], 指出在二維和三維空間的流體力學有很大的不同，二維沒有湍流。這幫助諾伊曼(J. von Neumann)用他的超級計算機正確設置了天氣廣播程序：模型必須要用三維，而不能是一層一層的二維空間模型！

這期間李先生和楊振寧先生合作完成了兩篇非常重要的統(tǒng)計物理中相變的工作。他們解決了一類統(tǒng)計中與相變相關的非常重要的基本問題。其中一篇證明了兩個重要定理，并給出了嚴格的無限體積中任何相、氣體、液體或固體中的熱力學函數(shù)的定義。一般來說，不同相的這些函數(shù)不是彼此的解析延續(xù)[5]。在另一篇論文里[6]，他們將前一篇論文的想法應用到晶格氣體上，發(fā)現(xiàn)了著名的“單位圓定理”。這些工作為統(tǒng)計力學和相變理論產(chǎn)生了極為深遠的影響。

1952年和1953年的夏天, 李政道先生訪問了伊利諾伊厄巴納-香檳分校(UIUC)的巴丁教授(J. Bardeen)。這是一次富有成果的學術訪問。當時巴丁認為超導性一定與晶體的相互作用有關。在與巴丁討論后，李先生研究了極性晶體中慢電子的運動。他將場論技術應用于凝聚態(tài)物質系統(tǒng)。他的計算提供了對極性晶體中傳導電子的低能級的系統(tǒng)理解（極化子物理學）[7，8]。諾獎獲得者施里費(J.R. Shrieffer)回憶稱，這項工作直接影響到超導BCS理論的提出。1953年，也是在UIUC, 李政道與蓋爾曼(M.Gell-Man)和洛(F. E. Low) 討論后建議了重整函數(shù)關系方程式形式給蓋爾曼和洛. 他們在后來發(fā)表的論文中還特別感謝李政道先生的建議。 這個方程式用于之后建立的色動力學，即可得到夸克禁閉的結論。

1953年，李政道加入哥倫比亞大學擔任助理教授。他的第一份工作是關于可重整場論模型，即為眾所周知的李模型。這一工作構造了一個簡單的可重整化模型，對量子場論的重整影響極大。諾獎得主泡利還特別寫了下面的信函表示特別喜歡這項工作。

1955年，李政道先生晉升為副教授，并于1956年，在29歲時成為哥倫比亞大學歷史上最年輕的正教授。理論物理界大師級的一顆新星已冉冉升起。李政道先生研究領域的廣度和深度, 以及影響力都提升到了新的高度。

挑戰(zhàn)自然界對稱性規(guī)律,

發(fā)現(xiàn)空間宇稱破缺

介紹李政道先生對物理的貢獻，必然會提及他和楊振寧發(fā)現(xiàn)時空分立對稱性關于空間宇稱(P)不守恒的歷史性論文: Question of Parity Conservation in Weak Interactions［9]。他們的工作推翻了物理學中一個被稱為宇稱守恒的定律。

宇稱守恒意味著將空間坐標R變化為 -R時, 物理規(guī)律不變, 也就是說自然界中發(fā)生的物理過程, 它的鏡象過程也一定會發(fā)生。李政道和楊振寧卻挑戰(zhàn)這一根深蒂固的觀念, 指出在弱相互作用中, 宇稱守恒的定律不成立。不到一年, 他們的預言即被實驗證實, 之后二人獲得諾貝爾物理學獎。這是中國人第一次獲得這一殊榮。下圖為他們獲得諾獎的電報通知。

1950年代中期的實驗數(shù)據(jù)顯示，可能存在兩個質量和壽命都一樣的粒子，稱為θ和τ粒子。之所以認為是兩個不同粒子，是因為它們分別衰變?yōu)閮蓚€π介子和三個π介子而具有不同的宇稱。但是它們?yōu)槭裁从幸粯拥馁|量和壽命，卻沒人知道。這就是著名的θ-τ之謎。李政道先生他們在分析了貝塔、超子和介子衰變等弱相互作用過程后指出，在這些衰變中并沒有宇稱守恒的證據(jù)。并且指出如果宇稱在弱作用中不守恒，θ與τ其實就可以是同一個粒子，它們具有同樣質量和壽命是必然的結果，因此θ-τ之謎就迎刃而解。為了進一步檢驗弱作用中宇稱不守恒的假設，他們在論文里建議了幾個實驗來驗證他們的想法。實驗之一是: 如果宇稱不守恒，如圖所示, 鈷60貝塔衰變觀測到的從極化方向上下出來的貝塔電子有不對稱性。由此開啟了探索自然界深層對稱性的歷史篇章.

鈷60的貝塔衰變驗證宇稱不守恒的實驗很快由華裔科學家吳健雄領導的小組完成［10]。實驗觀測到在鈷60貝塔衰變過程中從極化方向上下出來的貝塔電子有很大的不對稱性。隨后另外兩個研究組完成的π介子衰變到一個繆子（μ）加上一個反中微子（anti-ν）的實驗［11,12]也證實了宇稱不守恒的結論。

在π-> μ+ anti-ν衰變過程中，因為π是自旋為零的粒子，總角動量守恒要求μ和 anti-ν的自旋方向相反。如果宇稱不守恒，這一過程衰變出來的μ粒子具有左旋和右旋極化的幾率會不一樣。實驗確實觀測到從π-> μ+ anti-ν衰變出來的μ都是左旋的。宇稱確實在這些過程中被破壞了。他們建議的另外檢驗宇稱不守恒的超子散射和衰變過程，和, 后來也完美完成，并再次證實宇稱不守恒。

在完成上述論文后，李政道和楊振寧又向前推進了對中微子參與的弱相互作用的研究。吳健雄回憶道，1956年圣誕夜她從華盛頓特區(qū)做完實驗乘坐最后一班火車回紐約。那時她告訴李先生，她的鈷60貝塔衰變觀測到了從極化方向上下出來的貝塔電子有很大的不對稱性，而且很接近 -1。李先生隨即告訴她這是很好的結果, 是他和楊振寧的二分量中微子理論預期的結果。原來那時李先生和楊振寧已投入了對費米貝塔衰變理論更為深入的研究。并且在1957年發(fā)表了著名的二分量中微子理論的論文[13]。在李先生他們二分量中微子理論論文發(fā)表八個月后，費曼（R. Feynman）和蓋爾曼（M. Gell-Mann), 以及稍后馬夏克 (R. Marshak) 和蘇達山 (G. Sudarshan) 建立起了弱相互作用的V－A理論。在費曼和蓋爾曼的論文里特別強調了李先生他們的工作。這一理論不僅確定了弱相互作用流的形式，而且也為后來建構弱電統(tǒng)一理論提供了新的思維和手段。

“細推物理須行樂，何用浮名絆此身”是李先生的座右銘。在獲得諾獎后, 他仍然孜孜不倦地探索自然規(guī)律。1957年李先生和奧赫梅(R. Oehme)及楊振寧又將對稱性研究推進到電荷宇稱(C)分立變換, 討論了CP聯(lián)合變換的特性[14]。1964年在中性 K 介子衰變中發(fā)現(xiàn)了 CP 不守恒(破缺)的現(xiàn)象。CP破缺的實驗發(fā)現(xiàn)也獲得了諾貝爾獎。而李先生他們對工作對實驗的分析，CP破缺的理論建立以及標準模型的發(fā)展都具有非常重要的指導意義。

當空間宇稱(P)和電荷宇稱(C) 以及他們聯(lián)合對稱性破缺被證實后, 李先生又把他的注意力集中到了CP破缺的機制是什么。1970年代初李先生發(fā)表了兩篇非常有影響力的重要論文[15,16]。在這兩篇論文中, 李先生探討了物理真空的特殊性, 指出真空本身就可能引起CP的自發(fā)破缺, 成為CP破缺機制的源頭。這類理論有很多新的現(xiàn)象, 如產(chǎn)生可測量的基本粒子電偶極矩, 誘導宇宙早期相變和提供大的CP破缺，有助于解釋為什么我們的宇宙中物質多于反物質之謎。相關理論模型仍然是當今粒子物理和宇宙學研究的重點。

站在廣度和深度制高點的物理學家

除了上述重大貢獻，李政道先生在統(tǒng)計物理、凝聚態(tài)物理、量子場論等領域有諸多重要貢獻。

在統(tǒng)計物理以及凝聚態(tài)物理方面前面已介紹過幾項重要工作，李政道還與楊振寧和黃克孫合作完成了一系列關于稀薄玻色子多體系統(tǒng)的論文。他和楊振寧用雙碰撞方法首先得到了正確的基態(tài)能量修正[17-22]，還與黃克孫、楊振寧[23]用贗勢法得到同樣的結果。他們發(fā)明了一種從無限多奇異項的和得出有限結果的方法。得到的能量修正中最令人驚訝的是著名的平方根修正項，但當時無法得到實驗驗證。出乎他們的預料，近年來，這個修正項隨著冷原子物理學的發(fā)展而得到了實驗證實。

在凝聚態(tài)方面的研究，李先生1980年中期, 在當時高溫超導研究中, 他與弗里德堡(R.Friedberg) 合作從超流到超導出發(fā)結合玻色-愛因斯坦凝聚和BCS理論,提出了玻色-費米模型為超導研究提供一些新的思考[24]。

量子場論是李先生研究的一個重要方向。前面已介紹了有重要影響力的李模型，1964年,李政道與瑙恩伯格(M. Nauenberg)合作[25], 發(fā)現(xiàn)量子場論計算中, 來自圈圖的紅外發(fā)散剛好被來自相空間積分的紅外發(fā)散抵消, 因此場論的微擾計算作為一個整體總是紅外有限的。那時木下(T. Kinoshita)[26]也獨立做出了現(xiàn)在被譽為KLN定理的重要工作。這項工作已成為強相互作用不可缺少的重要定理, 也是用高能噴注發(fā)現(xiàn)夸克和膠子的理論基礎。

李政道1974年和威克(G.C. Wick)研究自發(fā)破缺的真空是否能在一定條件下恢復其對稱性[27]。他們發(fā)現(xiàn)重離子碰撞能實現(xiàn)破缺對稱性的部分恢復且能產(chǎn)生可觀測效應。這是相對論重子碰撞理論和實驗的基礎。到了上世紀90年代，李政道直接推動了布魯海文(BNL)重離子對撞機(RHIC)的建造，開創(chuàng)了量子色動力學真空,夸克禁閉以及夸克-膠子等研究的新時代。

在1976到1986期間, 李政道先生較多關注他博士期間從事的天體物理研究, 與弗里德堡和龐陽合作創(chuàng)立了非拓撲孤子和孤子星兩個研究領域, 對黑洞, 暗物質以及類星體特性做出一些預言[28,29]。1992年，他撰寫了有相當影響力的關于經(jīng)典與量子的非拓撲孤立子解綜述論文[30]，為天體物理, 凝聚態(tài)物理研究新物理態(tài)提供新的思考。

李政道先生對時空的特性非常關注, 除了前邊介紹過的分立時空的宇稱和電荷宇稱破缺, 他還對時間本身的不連續(xù)性從經(jīng)典力學, 量子力學和量子場論各個角度進行了全面研究, 建立了新的差分方程, 和新的關于時間的理論框架, 并指出由于分立的時間有最小單位, 也許是解決場論計算中紫外發(fā)散的新途徑[31]。

從1982起, 李先生也對用分立方法求解非微擾色動力學場論的格點理論投入了極大努力, 和克里施第(N.Christ)與弗里德堡一起建立了隨機格點理論得到旋轉和平移不變的理論[32], 另一方面推動超級計算機進行格點計算。這極大地推動了格點計算的發(fā)展。

跨度學術生涯的中微子研究

讓我們再回到李政道先生與粒子物理弱相互作用相關的研究。前面介紹了1949年李先生還在攻讀博士時完成的工作,與挑戰(zhàn)宇稱守恒的歷史性工作， 而后提出了新方法研究費米理論中中微子的作用形式，提出二分量中微子理論等研究。這些都與中微子相關。這方面的研究跨越他的整個學術生涯, 是李政道先生最愛的研究方向之一。李政道和楊振寧在1960年還發(fā)表了一篇非常重要的論文[33]， 他們提出了九大非常前瞻性的高能中微子實驗：

1）區(qū)分電子相關的中微子和繆子相關的中微子是否是兩種不同的中微子；

2）檢驗輕子數(shù)守恒；

3）檢驗輕子是否參與電磁相互作用之外的中性流相互作用；

4）檢驗輕子是否是點粒子；

5）檢驗電子和繆子參與的相互作用是否完全一致；6）檢驗中微子和反中微子之間是否存在S-對稱性；7）檢驗矢量流守恒；

8）檢驗是否存在帶電的W規(guī)范粒子；

9）探測大動量轉移的相互作用。

同時期施瓦茲（M. Schwartz）也提出了怎么實現(xiàn)高能加速器中微子實驗的構想［34］。 這兩篇論文高能加速器中微子實驗的開山之作，為后來的中微子實驗研究指明了方向。萊德曼（L. Lederman）、施瓦茲、斯坦伯格（J. Steinberger）按照李政道先生他們理論文章的建議，于1962年用高能加速器產(chǎn)生的中微子驗證了存在電子和繆子相關的兩種不同中微子，并因此獲得1988年的諾貝爾物理學獎。萊德曼在諾貝爾授獎晚宴中代表三人特別感謝了李政道先生：“我們還要感謝很多人，特別要提到我們哥倫比亞大學的同事——李政道教授，感謝他的指導和靈感?！?這項工作是理論和實驗物理學家緊密合作的光輝典范。

上世紀六十年代后期到2006年前，李政道先生主要精力放在了中微子物理外的研究領域。但是中微子物理在2006年再次成為他比較密集的研究課題。2006年，李先生已80高齡，但思路清晰，仍然走在研究的前沿。這段時間他關于中微子研究的第一篇論文是與弗里德伯格（R. Friedberg）合作在2006年發(fā)表的［35]。當時中微子物理中人們很關心的一個重要問題是不同種類中微子混合模式。到2006年，三種不同代的中微子，電子、繆和陶三種中微子都已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，而且中微子振蕩現(xiàn)象已被觀測到，表明不同中微子有混合,而且至少有兩種中微子質量不為零。三代粒子的混合可用一個3x3的幺正矩陣描述, 其中包含三個混合角θ_12，θ_23，θ₁₃。那時已知道需要標準模型外的新物理來解釋中微子質量的成因與混合機制。當時實驗數(shù)據(jù)表明中微子的混合矩陣要求第一和二代以及第二和三代的混合的混合角θ_12，θ₂₃比較大。但是否存在第一和第三代不為零的混合角θ₁₃還很不清楚。從理論上建構出適當?shù)幕旌夏Ｊ绞抢碚摴ぷ髡邆円卮鸬膯栴}。

李政道先生他們的工作從平移對稱性角度出發(fā)討論問題。很容易便得到了與當時實驗相符、但是θ₁₃=0的三重雙極混合模式。我本人和我的合作者徐一鴻，以及高能所的邢志忠分別也從別的對稱性考慮獨立得到同樣的解, 并得到李政道先生的認可。值得一提的是，當人們還在滿足于得到三重雙極混合模式時，李先生已經(jīng)考慮到了可能的修正形式。這一點很重要。因為當時實驗數(shù)據(jù)的誤差，三重雙極混合模式與實驗數(shù)據(jù)沒有矛盾，形式極為簡單，而深受人們喜歡。當時中國的大亞灣中微子實驗和世界上其它幾個實驗正在準備更精準測量θ₁₃。如果得到不為零的值，三重雙極混合模式必須修改。李先生他們得到的修正模型提供了θ₁₃不為零的可能性。所以2012年大亞灣中微子實驗測量到不為零的θ₁₃后，李先生他們的理論仍然還能繼續(xù)作為討論中微子混合模型的架構。

接下來的幾年里，李政道先生較密集關注中微子物理研究，又發(fā)表了五篇更廣泛探討中微子的混合模式，與夸克混合的聯(lián)系以及相關的CP破缺現(xiàn)象等。這段時間發(fā)表的最后一篇中微子物理研究的論文是在2010年［36］。之后他仍然非?；钴S地穿梭于世界各地作相關學術報告，直到2011年85歲時從哥倫比亞大學榮退。

結束語

從1949年完成第一篇學術論文起, 在六十余年的學術生涯中，李政道共發(fā)表了321學術論文, 在量子場論、基本粒子理論、核物理、統(tǒng)計力學、流體力學、天體物理等諸多領域都有開創(chuàng)性和具有里程碑意義的杰出貢獻?！翱v觀物理學的各個不同領域, 很難找到一處沒有留下李政道的足跡, 他犀利的物理直觀和高超的解答難題的能力, 為物理學的發(fā)展做出了持久而明確的貢獻?！鼻懊绹锢韺W會主席，德雷爾教授(S. Drell)曾如此評價說。李政道先生為后世留下的科學財富將惠及一代又一代年輕人。

在結束本文之前, 我特別感慨地想提及李政道和楊振寧先生在1949年到1962年期間令人羨慕的具有豐碩成果的合作研究。他們一共合作完成35篇學術論文, 其合作研究范圍涵蓋粒子唯象學, 量子場論和統(tǒng)計物理等多個研究方向，為人類探索自然規(guī)律做出了多項開創(chuàng)性的歷史貢獻。前面的介紹也充分體現(xiàn)了這一事實。非常遺憾, 這樣的合作在1962年之后沒有延續(xù)。如果他們的合作沒有停止, 也許他們對自然規(guī)律研究會獲得更多的突破性成果。

在獲得諾獎之后，李政道先生仍然孜孜不倦地探索自然規(guī)律, 在不同時期和不同方向不斷獲得開拓性成果產(chǎn)生巨大而深遠的影響。物理是李先生的生活方式, 并樂在其中。我們真誠感謝李先生為物理和人類科學事業(yè)做出的卓越貢獻。他的功績將永載史冊。

作者簡介：

何小剛，1981屆CUSPEA學生，上海交通大學李政道研究所講席教授。