Zhou Guangzhao


李政道物理生涯六十年


朱光亚 周光召
(2006年11月24日)


尊敬的温家宝总理,尊敬的李政道先生,尊敬的各位来宾:

我们都是政道的好友。

光亚和政道之间的友情是六十年前在昆明西南联大时开始的。当时他们曾一起听吴大猷教授讲授量子力学,1946年秋又一起被吴大猷先生推荐后,同船去美国。到美国后,政道进入芝加哥大学,光亚随吴大猷先生去密执安大学。两地相距不远,政道常去看望吴大猷先生夫妇和参加密大每年夏季举行的学术讲座及研讨会。1950年光亚回国后,联系中断了20多年, 直到1972年后,才又在北京经常相聚。

光召和政道的友谊则始于上世纪70年代,那是政道和惠莙(替代字,上竹下君。下同)夫人自上世纪40年代赴美留学后,开始经常回国。因交往频繁,能时常在一起探讨中国的科学和教育发展问题,得到了政道很多的帮助。

在此,我们非常高兴把我们所知道的有关政道青年时代的经历、六十年来在物理学上的成就和三十多年来对祖国科学和教育事业的贡献,作一简要介绍。

我们先来回顾一下1957年,在世界各地传播、影响甚广的那件物理学界科学大事。那年1月15日的下午,哥伦比亚大学物理系举行新闻发布会,被称为实验物理之父的拉比(I.I.Rabi)教授向公众宣布,物理学中的一个被称为宇称守恒的基本定律被推翻了。第二天,《纽约时报》在头版报道了这一消息[1]。推翻这个基本定律的就是政道和杨振宁。我们都知道政道和杨振宁为此获得了1957年度的诺贝尔物理学奖,这是中国人第一次获此殊荣,也是迄今为止,诺贝尔奖的正式记录书上,仅有的中国籍获奖者。

弱相互作用中宇称不守恒的发现具有极为深刻的意义和广泛的影响。政道和杨振宁的贡献在于,当几乎所有的物理学家都相信空间反演(宇称)不变性已被实验确定时,他们指出,在一大类物理过程中,包括β衰变、μ衰变和π衰变,宇称守恒从来没有被检验过。他们给出了可以进行这种检验的一系列实验条件,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设想。 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。紧随着吴健雄实验之后,有近百个不同的实验得到同一结论。正是政道、杨振宁和吴健雄的突破性工作,彻底解放了人们对于物理世界最基本结构的思想。

当年,我国物理学家于敏教授曾在《人民日报》上以“宇称守恒定律是怎样被动摇的”为题撰文指出:对于做基本粒子工作的人,在过去宇称守恒定律一直是一块指路标,人们顺着它所指示的方向去寻找规律,现在这块路标被破坏了,物理学家的思想得到了解放。在李、杨等这一工作的启示下,一定会发展出很多有兴趣的观念和猜想。[2]

在此后的几年里,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20世纪60年代粒子物理的主流。今天,物理学界公认对称破缺是自然界相当普遍的规律,这在上世纪50年代以前是不可想象的。

政道自幼喜爱读书,且有见解,但由于抗战,他的少年时代是在动乱的艰苦环境下度过的。

1941年15岁的政道中学尚未毕业,但不堪日本鬼子的残暴统治,而只身离家,辗转到了当时的大后方。1943年夏,他虽中学没有毕业,但在贵阳以同等学历考上抗战时迁至贵州的浙江大学。1944年日军侵入贵州,浙大停办。1945年政道又辗转进入昆明西南联大求学。当时浙江大学和西南联大的物质条件都很艰苦,但是有王淦昌、束星北、吴大猷、叶企孙、赵忠尧、王竹溪等第一流的老师,学习气氛非常浓厚,老师对优秀学生更是倍加关爱。1946年吴大猷先生得到一笔政府经费出国研究,可选两名研究生随行,除选光亚外,吴先生选择了被他称为“奇才”的,只是大学二年级的学生政道。政道到芝加哥大学后,因没有大学文凭,按学校规定,不能当正式研究生。但不久,政道很快地得到了费米(E.Fermi)和其他芝校教授们的赏识,成了正式研究生并获得芝加哥大学研究院的很高荣誉,全校奖学金三年。

当时芝加哥大学物理系拥有费米等一大批著名物理学家,是世界极活跃的物理中心。当费米要政道跟他做博士论文时,政道很觉兴奋。费米每星期和政道单独讨论半天时间。每次讨论费米都会提一些问题,让他去阅读和思考,并要政道在下一周报告,共同讨论。这些问题很快就变成研究课题。政道和费米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。在费米的指导下,政道完成了关于白矮星的博士学位论文[2],在芝加哥大学获得博士学位。而费米严格的科学态度和培养学生独立思考的训练方式,对政道产生了深远影响,并一直伴随政道以后的科学生涯。政道后来常说:每当遇到困难的物理问题的时候,他会想想,在这种情况下,费米会怎么做。

1951年,政道进入普林斯顿高等研究院工作,1953年后就一直在哥伦比亚大学物理系工作。

政道对物理学的贡献是多方面的。曾任美国物理学会主席的德雷尔教授(S.Drell)这样说过:“综观物理学的各个不同领域,很难找到一处没有留下李政道的足迹,他犀利的物理直观和高超的解答难题的能力,为物理学的发展做出了持久而明确的贡献。”[3]

1950年政道在他的博士学位论文中,纠正了当时对于太阳一类恒星的演化过程的错误认识,确立从主序星开始,最终成为白矮星的正确观点。

1951年政道对于二维和三维液体的湍流的研究指出,二维空间的流体没有湍流,湍流只能在三维空间发生。飓风等天气必须有第三维与地面垂直方向的气流才能发生。他的研究成为天气预报的重要基础。

1952年政道和合作者取得了固体物理领域的极化子解,这解直接影响了1957年BCS超导理论[4]。1953年政道解了场论中的盖尔曼-洛重整函数关系方程式[5]。将这解用于后来的色动力学(或杨-米尔斯方程)即可得夸克禁闭的结论。

在统计物理方面,20世纪50年代,政道和杨振宁合作,首次给出了不同相无限大体积系统热力学函数的严格定义。用严格的数学分析证明,在有限系统中,如何通过无限体积的极限,得到所有不同的相、气相、液相和固态相。标志着统计力学对相变问题严格处理的新开端。政道与黄克孙和杨振宁合作,研究了量子玻色硬球系统的位力展开,发明了一种从无限多奇异项的和中得出有限结果的方法,这种方法在当时广泛应用于理论物理的许多领域。

对粒子物理,政道在费米教授的引导下,很早就有重要贡献。1949年他和罗森布鲁斯(M. Rosenbluth)、杨振宁将费米的β衰变理论推广至μ介子,为弱作用这一领域立下了基础性的贡献。

量子场论是研究粒子物理的理论工具,政道初到哥伦比亚大学的第一项工作即是1954年发表的一个可解量子场论模型,称为“李模型”。这项工作对以后的场论和重整化研究产生了很大的影响。

政道和瑙恩伯格(M.Nauenberg)、木下(T.Kinoshita)1964年的工作得出的KLN定理是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,四十多年后的今天,一些物理学家仍在研究扩展这一定理。

政道强调高能中微子实验的重要性,并在理论上给出W粒子质量的上、下限。又与杨振宁合作,计算了W粒子在高能中微子束实验中的产生截面。这些都是20世纪60年代寻找W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。

政道和威克(G.C.Wick)1974年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。在政道的大力推动下,自20世纪70年代末以来,相对论重离子碰撞的理论和实验研究成为粒子物理中最重要的研究领域。上世纪末,已届古稀之年的政道仍在研究量子色动力学真空和夸克禁闭的关系,提出了有关的理论,并促成了美国布鲁克海文国家实验室建造了相对论重离子对撞机(RHIC),在该对撞机上的实验发现了具有强相互作用的夸克胶子等离子体(sQGP),这一发现很可能是一个新物理时期的开始。

孤子星是非拓扑孤子和广义相对论结合的产物,非拓朴孤子和孤子星这二个领域都是政道分别在1976年和1986年创立的。他又与合作者详细研究了孤子星的特有性质,认为是暗物质、类星体等的理论模型之一。

1983-1985年政道创造了一组新的差分方程式,并严格地证明这一组差分方程式能产生所有物理上应用的、连续性的守恒定律,从经典物理至量子物理和广义相对论。建立了一组颇具革命性的新理论物理基础。

1986年以来,政道在高温超导和碳60的研究中,与合作者共同探讨了凝聚态物理、多体统计等方面的问题,提出了玻色子-费米子超导模型,该模型结合了玻色-爱因斯坦凝聚和BCS理论,他又与合作者一起对该理论的实验观测作了预言。

进入2l世纪,政道把目光投向新世纪物理学的发展。耄耋之年,他仍在挑战物理,为研究简并的物理真空,在求解薛定谔方程式和非微扰问题方面做了一系列工作。进而探讨暗物质的本质,中微子质量本征态的转换矩阵等。仅在今年(2006年)就已发表了五篇论文,这样年龄还能有如此科学成果,在科学史上也是十分罕见的。

政道常说:“物理是我的生活方式。” 六十年来他从未间断过对物理学的研究。他的研究领域除高能粒子物理外,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,并在物理学领域做出了许多具有开创性和里程碑性质的工作,我们在这里无法一一描述。

对于自己的每一项研究,政道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解决之处,并常以别人尚不知或不能解决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。对政道来说,科学研究的路是自己开拓的,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着密切的联系。他的研究工作体现出一个注重实验的理论物理学家的特色,尤其对高能物理实验有着巨大的影响。全世界高能物理实验的发展进程中都有他的足迹,许多高能物理学家都和他有着很深的友情。

在国际物理学界,政道不仅是一位勤奋而有成就的学者,而且是一名杰出的勇士和活动家,受到普遍的尊敬。他十分关心并尽力支持和帮助其他国家的科学发展以及科学方面的合作。1997年4月,在政道的帮助下,美国布鲁克黑文国家实验室(BNL)和日本理化所(RIKEN)联合成立了一个研究中心(RBRC),由理化所(RIKEN)提供经费,政道亲自担任该研究中心的主任。该中心的研究任务是开展相互作用方面的物理研究工作,自成立以来,在超级计算机建设,格点量子色动力学(QCD)研究,相对论重离子对撞等方面取得了可喜的成果。

我们要特别指出,在他的倡议、推动和领导下,哥伦比亚大学和IBM公司、布鲁克黑文国家实验室等单位合作,自1993年起研制超级计算机,为物理计算服务。1998年完成了QCDSP超级计算机,运行速度达每秒4000亿次。2005年完成了QCDOC机,一台安装在布鲁克黑文国家实验室,一台安装在哥伦比亚大学物理系,运行速度每秒10万亿次。值得指出的是,每台计算机投资仅500万美元。

政道对物理学的巨大贡献得到了世界的公认。除了获诺贝尔奖之外,还被授予爱因斯坦科学奖、法国国立学院奖等。 1956年,不满30岁的他成为哥伦比亚大学历史上最年轻的正教授。1964年,他被聘为哥伦比亚大学费米讲座教授,1984年至今为哥伦比亚大学全校级教授。此外,他还是普林斯顿大学名誉科学博士,美国国家科学院院士,中国科学院外籍院士,以及国际、国内多所著名大学的名誉博士和名誉教授。

作为一名华裔物理学家,政道是一位伟大的爱国者。自1972年回国访问开始,30多年来,政道为祖国科学事业的发展和年轻人才的培养做出了突出的贡献。

1972年,政道和夫人秦惠莙女士回到祖国访问,看到国内当时科学、教育处于基本停顿状况,心中十分担忧。政道多次向国家领导人坦陈己见,对当时教育状况提出意见和建议。并促成了中国科学技术大学少年班的建立,在当时的环境下使濒于停顿的高等教育得到部分恢复。

1970年代末,国内拨乱返正,百废待兴。振兴教育更是一项要务。政道利用暑假回国在中国科大研究生院开设每天三小时的“粒子物理与场论”和“统计力学”课程,全国各高等院校和研究所近千名师生赴京听课,这次讲课实际上是在为国内学者补课,系统介绍当代物理的最新发展,这对帮助国内恢复科学研究工作是十分及时和有益的。

政道曾在他60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,也是最难驾驭的。尽管成功的机遇不可预定,但它的几率却可以大大增加。通过吴大猷教授,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。”

大家都知道CUSPEA是中美联合招考物理研究生项目。上世纪70年代末、80年代初,针对当时国内科学和教育的状况,政道感到,必须尽快培养一流的科研人才,同时国内高校和研究所要尽快与国际建立联系。他认为,最有效的方法是挑选优秀大学生出国攻读博士学位。当时,中国尚未与美国建立派遣留学生的渠道,也没有GRE和TOEFL考试,政道亲自设计并创立了CUSPEA,为中国学生去美国留学建立了一个独特的暂时性的通道。政道的这个突破性创举在开始时期曾遭到了中国国内和海外若干华人学者的非议,但在政道的坚持努力下,终于得到了中、美双方学界的积极支持,每年约有100名中国物理专业的学生通过考试进入美国一流的研究生院。所有通过CUSPEA考试录取的学生都得到美方的全额奖学金。由于CUSPEA独立于美国各大学的招生入学手续之外,政道每年都必须亲自与各大学联系。为了使中国学生能及时进入美国各大学的研究生院,政道在夫人惠莙女士和助手特拉梅(I.Tramm)女士帮助下,每年都向70多所美国高等院校的招生部门发信联系,发信之多,甚至把哥伦比亚大学周围的邮筒都塞满了。这些中国年轻学子到美国后,从落实学校到生活安排,政道都亲自一一帮助解决,每年的CUSPEA都要花去他大量的时间和精力。

从1979年开始到1989年的十年间,通过CUSPEA共培养了915名学生。CUSPEA是一项很有战略远见的人才计划。20多年过去了,CUSPEA培养的学生已经活跃于国内外大学、科研机构、企业等各行业,在各自的研究领域内取得了杰出成绩。他们中回到国内的已成为所在单位的骨干,留在国外的大多定期回国讲学,为国内国际教育、文化等的交流架起了合作的桥梁。CUSPEA这种培养人才的方法很快也被国内的化学、生物等学科采纳。CUSPEA不仅改变了这些求学者个人的人生道路,影响了一代学人的思想观念,也为新时代中国教育界、科技界走向世界开启了一扇有益之门。

国内1978年开始派遣留学生出国学习,1981年开始实施学位制度,1983年起已有部分研究生获得博士学位,国外获博士学位的人员也陆续回国工作。为使他们尽快成长为国家急需的学科带头人,政道向中国政府建议,在中国建立博士后流动站制度。这个建议在小平同志的支持下,很快得到了实施。政道不但帮助设计了中国博士后制度,而且20多年来关心和帮助它的发展。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极难流动。博士后流动站制度的建立从根本上改变了这一状况。1986年博士后制度开始时全国只有250名博士后,而今全国在站的博士后已过万人,每年新招收的博士后超过了5000人。20年来,中国总共招收博士后达3万多人,设博士后流动站的学科亦从数、理、化、天、地、生等理学类基础学科,逐步扩大到工、农、医、哲、法、文、经济、教育、历史、军事、管理等门类的一级学科;地域上,从中国东部沿海发达地带向相对落后的西部地区延伸,博士后制度现已覆盖了整个中国大陆。全国博士后科研流动站的数量达到1363站,对中国的人才培养和科学技术的发展起了很大的促进作用。

从CUSPEA到博士后制度的建立,政道战略性的眼光和超前的意识,不仅给年轻人创造了机会,也为中国人才培养和科学事业的发展创造了一种有效可行的方式。

1985年7月,政道向中国领导人建议设立国家自然科学基金,并帮助提出自然科学基金的具体实施方案。1986年设立的中国国家自然科学基金,改变了以往科研基金通过计划分配的模式,首次将同行评审,公平竞争的机制引入到科研经费的分配中。20年来,国家自然科学基金委支持的基金项目总数超过10万个。自然科学基金重点支持基础研究,培养了一批杰出青年人才,推动了交叉科学和新型学科发展,取得了喜人的成果。自然科学基金已成为促进中国基础科学发展的有效手段,在国际上也享有很好的声誉。

1980年代初,中国选派科技人员出国进修,政道为使中国能系统、配套地培养人才,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,即“李政道学者”。在他的安排下,有近百名中国高能物理学者进入了美国高能物理研究的各领域,为以后北京正负电子对撞机的建设和中国高能物理研究培养了人才。他们中不少人后来成为中国物理方面尤其是高能物理领域的骨干。

在政道的推动下,中美两国建立了长达近30年的高能物理领域的合作。1979年1月,在美国斯坦福直线加速器中心,政道和潘诺夫斯基(W.K.H.Panofsky)教授一起组织了第一次中美高能物理合作的会谈。中美两国的科技合作协议,高能物理是其中的第一个合作项目。随后,政道和吴健雄、袁家骝等教授又提出在北京建造能区为3吉~6吉电子伏的正负电子对撞机的建议,在政道的积极努力和推进下,这个建议最终被采纳并付诸实施。在政道的精心安排下,美国高能物理实验室和科学家为北京正负电子对撞机(BEPC)的设计、建造提供了大量技术支持。BEPC于1984年动工后,在四年内顺利建成。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在这里进行合作研究。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。

让自己钟情的现代科学技术在祖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)和北京现代物理中心(BIMP)。20年来,中国高等科学技术中心共组织国际国内学术研讨会300多次,来自世界和全国各地的25000多名科研人员参加了研讨,在国际一流学术刊物发表论文近4000篇,出版论文集180册,讨论的课题除物理外,还有与物理有关的交叉学科、环境科学等内容。北京现代物理中心则几乎每天都组织学术报告会,内容包括物理、化学、生物和各种交叉学科。

1996年政道的夫人惠莙女士去世后,1998初,政道和家人及朋友遵照惠莙夫人的遗愿,用私人多年的积蓄在中国设立了“秦惠莙-李政道中国大学生见习进修基金”(简称:莙政基金),并确定北京大学、复旦大学、兰州大学和苏州大学为“莙政基金会”首批成员。当年暑期就有几十位优秀大学本科生成为“莙政学者”进入实验室,在老师指导下学习科研方法,了解交叉学科领域,并撰写科研论文。几年来已经取得了可喜的成果,受到广泛的赞扬。

2000年初,台湾新竹清华大学成为“莙政基金”的成员学校。自2001年暑期开始,每年暑期大陆和台湾的“莙政基金会”成员互相选派“莙政学者”中优秀同学进行两岸交流。开创了海峡两岸大学本科生暑期的学术交流活动。参加交流的海峡两岸“莙政学者”在对岸经过暑期六周的科研见习进修返回后,开扩了视野,在学术研究上取得了成绩。正如政道所说,通过这种学术交流,也大大增加祖国两岸大学生之间的互相了解和炎黄子孙间的亲情。这对祖国未来的统一也是很有意义的。

经过八年的实践,受资助的“莙政学者”同学的人数,从1998年开始时每年60余人,发展到每年200余人,至今海峡两岸莙政学者总数已超过千人。有些莙政学者的科研论文已在国外著名学术刊物上发表。大部分的莙政学者大学毕业后进入了国内外一流大学的研究院深造。

政道和惠莙夫人从1985年起还每年捐款在苏州为高中生设立了“李政道奖学金”。2000年政道为促进中国西部的教育,鼓励西北的年轻学生,又捐款在甘肃省设立了“李政道奖学金”。这些举措都取得了很好的结果,一批年轻学子因此而得到了成才的机会。

政道多年来为祖国、为科学所做的一切,正是在给年轻一代不断地创造着机遇。

政道不仅在物理学的研究上有很大的成就,而且还对艺术和中国的历史文化有着强烈的兴趣。对科学和艺术的关系也有所研究。他常常和艺术家一起研讨,有很多艺术家朋友。他个人的随笔画就有几百幅,为国内著名画家吴冠中、华君武等美术界人士所赞叹。

30多年来,政道为祖国的科学和教育事业倾注了大量精力和时间。今天,北京正负电子对撞机已做出世界公认的一流的高能物理实验;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,逐步回国工作或定期回国讲学;中国高等科学技术中心在国际上享有相当声誉;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也都做出了很好的成绩;政基金、苏州中学生和甘肃省的“李政道奖学金”也都开花结果,桃李满天下。在这些世人有目共睹的进步当中,无不包含着政道辛勤的操劳。

年已耄耋的政道在科学上已很有成就,但仍每天工作十几个小时进行物理研究。每次回国更是繁忙。最近又在促进中美两国在大亚湾合作进行中微子实验奔走。国内熟悉政道的朋友们常用“呕心沥血”来说明他为物理科学和祖国科教事业的辛劳。他为科学,为自己血脉、亲情所系的故土工作时的快乐蕴涵在他十分喜欢的杜甫的诗句之中:“细推物理须行乐,何用浮名绊此身。”这也是政道治学为人的写照。

我们衷心祝愿他耄耋之年在物理学研究上再创辉煌。

[1] C. S. Wu. Discovery of parity violation in weak interactions.//Adventures in experimental physics, Vol.γ.World Science Education,1973:101-123.
[2] 于敏. 宇称守恒定律是怎样被动摇的.人民日报,1957-02-23.
[3] S. D. Drell. The many dimensions of T. D. Lee//Thirty years since parity nonconservation, A symposium for T. D. Lee. Edited by R. Novick, Birkhauser, 1988:85—94.
[4] J. R. Schrieffer, Theory of Superconductivity W. A. Benjamin Inc. Publishers (1964), p. 39
[5] M. Gell-Mann and F. E. Low Phys. Rev. 95, 1300(1954), footnote 21.

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