李政道和他的科學正道

稿源:南方人物周刊 | 作者: 南方人物周刊特約撰稿 聞雨 日期: 2024-08-19

“李政道先生的教育理念和他創(chuàng)造的這樣一個環(huán)境,是一種大膽的突破,培養(yǎng)出了非常多成功的科學家和各個領域的人才” (本文首發(fā)于南方人物周刊)

1956年,李政道(視覺中國/圖)

2019年11月,在CUSPEA(“中美聯(lián)合培養(yǎng)物理類研究生計劃”)40周年慶的聚會上,有CUSPEA學子提起李政道畫的一棵大榕樹。畫上有李政道題的兩行字,“千枝萬根皆相連,遍野成林僅一樹?!币恍┡c會者覺得,李政道的這幅榕樹畫作,就是他與CUSPEA學子的寫照。CUSPEA由李政道在1979年發(fā)起運作,持續(xù)十年,為915名中國優(yōu)秀的物理學學生提供了留學深造的機會。在這些學生中產生了大批知名學者和企業(yè)家,包括十多位多國科學院院士。

在科學人才培養(yǎng)方面,CUSPEA只是李政道種下的許多榕樹的其中一棵?;仡櫵髮W和從事科研、教育工作的經歷,我們就能明白這些榕樹的養(yǎng)分來自哪里——他的老師、好友和學生們用“自力更生”、“獨立思考”和“求是創(chuàng)新”來形容他,了解他的人總能感覺到他對探索科學和創(chuàng)新教育有不懈的動力。

他曾這樣解釋自己的動力,“‘細推科學日復日,疑難得解樂上樂?!痪湓?,就是真誠求知。”真誠求知,就是李政道在科學之路上堅持的“正道”。

當?shù)貢r間2024年8月4日,華人物理學家、諾貝爾物理學獎獲得者李政道在美國舊金山家中去世,享年97周歲。而他培育的“榕樹”,還將繼續(xù)生根發(fā)芽。

1957年12月10日,瑞典斯德哥爾摩,李政道(中)、楊振寧(左一)與其他諾貝爾獎得主在頒獎典禮后合影(視覺中國/圖)

芝城求學

“不如下周你來給我上堂課吧。”面對自己的博士導師、諾貝爾物理學獎得主恩里科·費米,李政道爽快地答應了他的要求。

1946年,費米獲得了美國芝加哥大學的教職,曼哈頓計劃徹底結束后他一門心思撲在對撞機研究上,沒有打算收理論方向的學生。實際上,費米的“開門弟子”都在做應用研究,只有李政道堅持表達了自己對理論研究的興趣。費米當時并沒有什么急于研究的理論課題,遂放手讓李政道做自己想做的。

也是在1946年,當時的國民政府決定讓華羅庚、吳大猷、曾昭掄三位數(shù)理化科學家,各帶兩位助手赴美學習造原子彈。吳大猷選擇帶朱光亞和李政道乘郵輪去美國,當時朱光亞已是科研助理,而李政道僅僅是一名大二學生。一如答應給費米上課,李政道對這個機會充滿信心。根據(jù)《南方人物周刊》從哥倫比亞大學圖書館獲得的本人口述資料,李政道覺得自己“不太懂英語,對經典物理很熟悉,懂一點量子力學,但是已經準備好進行博士研究了”。

除了芝加哥大學,其他美國大學無一接受尚未拿到本科學位的學生。李政道發(fā)現(xiàn)芝加哥大學對那些沒有正式學位的學生提出的錄取要求是讀過校長挑選的西方文明名著——他連這些名著的名字都沒聽過。

那時的芝加哥大學物理系群星璀璨,除了費米之外,還有提出白矮星質量上限預測理論的蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡,提出原子核殼模型的瑪麗亞·梅耶,宇宙射線和空間科學領域的先驅約翰·A·辛普森、發(fā)現(xiàn)了氘(重氫)的哈羅德·尤里、研究晶體結構的知名固體物理學家威廉·扎卡賴森、發(fā)明了齊納二極管的克拉倫斯·齊納,以及楊振寧的導師愛德華·泰勒,泰勒在氫彈研究中扮演了關鍵的角色。

費米、扎卡賴森和辛普森等教授為錄取李政道做了很多努力。大部分有志于理論研究方向的學生通常會被推薦給泰勒,沒有人也不會再有人知道,費米當年究竟是看中了這個大二學生的什么特質。李政道博士畢業(yè)四年后的1954年,時年53歲的費米去世,死因疑為長期暴露于放射性物質。

李政道入學做的第一件事就是閱讀大學目錄。他記得目錄上說物理系只對頂尖的學生感興趣,不鼓勵學生選修其他課程;對于那些需要指導的學生才會提供課程。這與當時的西南聯(lián)合大學及大部分世界頂尖大學的風格都截然不同。費米沒有給李政道安排任何課程,李政道注冊了泰勒的量子力學課和扎卡賴森的電磁理論課等等。在諸多“頂尖的學生”中,年輕而自信的李政道越來越感覺到自己并不優(yōu)秀,甚至為此而羞恥。不過他發(fā)現(xiàn)其他同學跟自己一樣也有這樣的想法,他便放下心來,不再沉溺于自我懷疑中。

入學幾周后,李政道收到了費米寫的便條,邀請他參加特別晚間課程,這個課程僅限受邀者參加,這也是他第一次親眼見到費米的教學方式。課程內容廣泛,不局限于特定領域,幾乎涵蓋了物理學的所有主題。費米常會隨機從文件夾里抽出一張卡片,卡片上寫著一個主題和一個關鍵公式,基于這個主題,進一步分析和推導公式。李政道看著費米從零開始,做出精確估計,最終得出相關公式以及由此推導出的物理原理,以智識為飛船,在物理學的各個宇宙間自由穿梭。“一切真正偉大而振奮人心的事物,都是那些能夠在自由中工作的人創(chuàng)造的?!崩钫涝谫M米身上,看見了愛因斯坦這句名言所描繪的樣子。

費米與博士生們的關系各不相同。他每周會與幾個學生一起在食堂吃午飯,再花一整個下午與李政道談話,也就是聽李政道講課。應用研究之外,費米對宇宙輻射的起源和核合成很感興趣,他先讓李政道學習核物理,又讓李研究天體物理學。費米對學生的引導方式與“上課抽卡”類似,提一個話題,問李政道是否可以閱讀和思考這個話題,可以的話就在下周給他講課?!拔艺兆隽耍遥看沃v完課)之后感覺都很好。后來我才意識到,這是引導學生獨立思考的絕佳方式?!闭n余時間學生們常去費米家里參加小舞會,費米的妻子勞拉會準備好特調果汁飲品,與自己的丈夫和學生們載歌載舞。

在費米的栽培下,李政道理解了自力更生和思想獨立的精神。一個人必須驗證或推導出他使用的所有公式。李政道記得,有一次費米和他討論太陽的內部結構,輻射傳輸?shù)鸟詈衔⒎址匠滔喈攺碗s?!澳遣皇俏业难芯空n題,我不想花太多時間在繁瑣的檢查上。我只是引用了知名參考文獻的結果。但費米認為,在沒有獨立確認的情況下,人們不應該接受別人的計算?!边@件事給了李政道深刻的印象,第二次討論時他匯報了自己處理輻射傳遞方程的獨創(chuàng)性想法。

20世紀中葉是芝加哥大學最輝煌的時期,除了破格錄取學生、自由的授課方式,還有一項在今天看來有些匪夷所思的博導制度要求:導師不能與其指導的博士生合作寫論文?!赌戏饺宋镏芸窂闹ゼ痈绱髮W圖書館獲得的影印材料顯示,1950年6月,李政道提交了總共17頁的博士論文《白矮星的氫含量和能量生成機制》,扉頁并未寫明導師是誰;正文15頁內容后來發(fā)表于期刊《天體物理學報》,費米也未在發(fā)表的作品上署名。論文討論到冷卻白矮星的臨界質量,也就是錢德拉塞卡極限,并通過相關結果推導分析了白矮星的平衡狀態(tài)和穩(wěn)定性。

芝加哥大學的風格深深影響了曾在芝大求學的李政道這一代中外科學家。當時,物理系的另一位博士生約翰·古迪納夫也與其導師齊納見面,齊納告訴他:“你只有兩個問題要去探索——一個是發(fā)現(xiàn)問題,一個是解決問題?!倍嗄暌院蠊诺霞{夫出任牛津大學無機化學系主任,大刀闊斧改革了院系的人才培養(yǎng)方案,改革背后無不是“芝加哥痕跡”。2018年,97歲的古迪納夫成為獲獎時年齡最大的諾貝爾化學獎得主。同樣,李政道在科學教育上收獲的全新認識,影響了他帶學生的方式,也影響著此后新中國早期的科研體系建設。

李政道博士畢業(yè)之際,被錢德拉塞卡推薦給了普林斯頓高等研究院,他在推薦信中對李政道的博士論文大加贊賞,并表示:“在與李政道的交流中,我看到了他的能力和獨創(chuàng)性,他對理論物理學有著非凡的天賦和好奇心。”

諾貝爾物理學獎得主恩里科·費米(視覺中國/圖)

理論與實驗

20世紀50年代前,物理學界普遍認為所有基本相互作用,包括電磁相互作用和弱相互作用,都遵循宇稱守恒原則。這意味著物理系統(tǒng)應當是左右對稱,通過鏡像反射變換之后仍然表現(xiàn)得與原系統(tǒng)完全相同,比如在電磁相互作用中,鏡像反射下麥克斯韋方程組保持不變。物理學的極簡對稱也符合物理學家們對物理學之美的理解。

20世紀30年代左右,科學家們發(fā)現(xiàn)β衰變中發(fā)射出的電子具有連續(xù)能譜,這與經典的量子力學預測不符,于是奧地利物理學家沃爾夫岡·泡利提出存在中微子的假設來解釋這一現(xiàn)象。β衰變是研究弱相互作用性質的重要實驗現(xiàn)象。原子核內的中子轉變?yōu)橘|子時,會同時發(fā)射出一個電子(β粒子)和一個反中微子。

1948年,李政道從芝加哥到紐約看望恩師吳大猷,吳大猷當時在哥倫比亞大學和諾貝爾物理學獎得主伊西多·拉比一起做實驗,李政道第一次見到了正在做實驗的吳健雄。

吳健雄正在打磨一樣東西,好奇的李政道上前詢問。吳健雄表示自己正在一步步糾正以前β衰變實驗中的錯誤。她說要正確地做β衰變實驗有兩個秘訣:使用的晶體表面一定要光滑,不能有臟東西,其次電子要訓練得特別好,不能離散。

在理論物理學家眼中,“訓練電子”這個說法非常有趣。李政道后來回憶:“搞理論的人用薛定諤方程、狄拉克方程來理解和描述電子的狀態(tài)和行為。真正做實驗的人卻是像對待貓、狗一樣,細心愛護、訓練電子?!?/p>

吳健雄的實驗支持了費米的理論,顯示中微子的存在及其帶走的能量導致了β衰變中的能譜連續(xù)性。這一結果與科諾平斯基-烏倫貝克理論中電子和反中微子成對發(fā)射的假設不符。她將這一實驗結果告訴了李政道,李當即接受,理由是“反正費米的理論一定是對的”。

20世紀50年代初,科學家們從宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了兩種新的介子:θ介子和τ介子。這兩種介子的自旋、質量、壽命和電荷完全相同,許多人認為它們是同一種粒子。然而,它們表現(xiàn)出不同的衰變模式:θ介子衰變時產生兩個π介子,而τ介子則衰變成三個π介子,也就是它們遵循不同的運動規(guī)律。

吳健雄在哥倫比亞大學實驗室(視覺中國/圖)

1956 年,李政道成為哥倫比亞大學建校200年來最年輕的正教授,也是在這一年,物理學界對“宇稱不守恒”的想法浮出水面。1956年10月,李政道和楊振寧合作論文《弱相互作用中的宇稱守恒質疑》,完整論述了弱相互作用中的宇稱不守恒定律。這份成果也為他們贏得了1957年的諾貝爾物理學獎,獲獎時李政道30歲。遺憾的是,二人后因署名順序以及想法的獨創(chuàng)性等問題導致合作破裂,二人后來的回憶對許多細節(jié)各執(zhí)一詞。

綜合多方敘述,值得肯定的是,李政道首先明確了奇異粒子宇稱可能不守恒的判斷及想法,楊振寧做了數(shù)學證明并推廣至弱相互作用,1956年在哥倫比亞大學的暑假,兩人完善了合作。最終打破物理學界的質疑以及對宇稱守恒的執(zhí)念的,是吳健雄的驗證實驗。

1956年4月初,在羅切斯特國際高能物理大會上,楊振寧作為報告人討論了θ-τ之謎,當場引發(fā)辯論。當時理查德·費曼向馬丁·布洛克提出了一個問題:“會不會……宇稱不守恒……自然界有能力唯一定義右手或左手?”費曼所說的這種對稱就像人們的左手與右手一樣,它描述的是一個物體與其鏡像無法重合的性質,而這種性質不符合鏡像反射的宇稱守恒。當時楊振寧回答說,他和李政道討論過這個問題,但沒有得出結論。

李政道和楊振寧后來討論的細節(jié)不得而知。可以明確的是,李政道相信理論分析最終要由實驗來定案,于是在1956年5月初,李政道建議吳健雄做相關實驗。吳健雄接受了建議并著手準備?!叭绻澜缟现挥幸粋€人有勇氣做這個實驗,那必然是吳健雄?!睙o論何時提起β衰變實驗,李政道都會這樣稱道吳健雄。

果不其然,泡利對李政道和楊振寧提出的宇稱不守恒理論持懷疑態(tài)度,向來犀利毒舌的他表示:“我不相信上帝是個虛弱的左撇子?!迸堇目捶ㄒ泊砹水敃r許多物理學家的普遍看法。

與此同時,吳健雄使用了兩套實驗裝置來觀測同位素鈷-60的衰變,這兩套裝置的初始狀態(tài)完全相同,均未極化。接著,她對兩套裝置施加了相反方向的電流,使得這兩個裝置的狀態(tài)成為鏡像關系,就像中間放置了一面鏡子。外加電流使鈷-60發(fā)生極化,由于電流方向相反,兩套裝置中的鈷-60極化方向也相反。兩套裝置中的鈷-60都衰變出電子,按常規(guī)理解,這些電子的數(shù)量應該相同,且與電流的方向無關。實驗結果卻出人意料,顯示出這兩套裝置中的鈷-60發(fā)射出的電子數(shù)量存在顯著差異,并且電子發(fā)射的方向也不對稱。這一實驗結果證實了弱相互作用中存在宇稱不守恒現(xiàn)象。這是物理學首次通過實驗手段揭示宇稱不守恒現(xiàn)象的研究,不僅改變了物理學界對對稱性的認識,也為后來的粒子物理研究、特別是弱相互作用和電弱統(tǒng)一理論的發(fā)展奠定了基礎。

1956年下半年,吳健雄實驗的初步數(shù)據(jù)已經表明了李政道和楊振寧的理論是正確的。泡利寄出的第二封信態(tài)度大為轉變,寫道:“這個消息非常令人興奮,大概有多可靠?”

1957年1月,哥倫比亞大學物理系召開新聞發(fā)布會,公布了宇稱不守恒的理論證明與實驗結果。當年的諾貝爾獎就頒給了這項進步。不過,盡管吳健雄發(fā)揮了同等重要的作用,她并沒有一同獲得諾貝爾獎。資料顯示,當時吳健雄獲得了26名學者的提名。這一結果讓1945年諾貝爾物理學獎得主泡利等一眾學者非常驚訝和憤怒。

后來李政道在諸多演講中都會提到吳健雄對這項理論的貢獻,積極肯定她在宇稱不守恒理論中的關鍵作用。李政道也曾多次為吳健雄鳴不平,20世紀40年代當吳健雄與費米一樣從曼哈頓計劃回到學術界,哥倫比亞大學拒絕為其提供終身教職的機會,李政道后來直言這是對女性的歧視。直到吳健雄完成了具有劃時代意義的實驗,才最終獲得正教授職位。李政道每每提到吳健雄都不乏溢美之詞,兩人的友情也持續(xù)了一生。

1990年,中國紫金山天文臺將第2752號小行星命名為“吳健雄星” ;1997年,紫金山天文臺命名小行星3443為“李政道星”,命名小行星3421為“楊振寧星”。

1984年5月18日,李政道(右一)在中國科技大學研究生院作學術報告(新華社/圖)

大榕樹

若溪不太想讀高三,她的理科成績很好,對物理特別感興趣,但高三只是在做復習,“學不到什么新東西”,她不想浪費自己的時間和精力。2011年的一天,若溪在新聞報道中了解到了中國科學技術大學(下稱“中科大”)少年班學院的招生廣告。這一年,大洋彼岸86歲高齡的李政道剛從哥倫比亞大學退休。

1978年,李政道倡議并推動了中科大少年班的創(chuàng)建,旨在選拔和培養(yǎng)具有特殊天賦的青少年,為中國培養(yǎng)未來的科學家和技術人才。這一計劃得到了時任中國科學院院長郭沫若等人的支持,并最終成為中科大的一大特色。

若溪讀書很早,高二時還不過15周歲。少年班不招收高三應屆生,要求報名時處于高二及以下且年齡在16周歲及以下,她符合報考條件。若溪遞交報名材料并通過了審核,2012年,高二的她獲得了當年6月的高考資格,少年班的錄取分數(shù)線并不苛刻,是中科大錄取分數(shù)線上下幾分。通過高考后,若溪參加了面試。她記得老師沒有問她專業(yè)問題,而是問她某個場景下如何通過團隊合作來解決問題之類的。面試結束出來“對答案”的小伙伴中,也有人被問到學習上的興趣、想要探索的方向等。

若溪順利進入了中科大少年班。少年班的課業(yè)壓力不小,課程難度很高,加上相對自由的培養(yǎng)方式,一些年齡較小的同學有些難以適應。若溪適應得不錯,第二年就當上了少年班的班長。少年班有很多出國交流的機會,可以自由進出實驗室,每個學生的培養(yǎng)方式也不盡相同。

“你跟別人不一樣,而且跟別人不一樣是可以的?!比粝獙Α赌戏饺宋镏芸氛f,從她勇敢選擇提前高考開始,求學時代探索和選擇的自由在她心中歷久彌新,“我們國家的人很多,當然需要標準化的教育體系和培養(yǎng)模式。但李政道先生的教育理念和他創(chuàng)造的這樣一個環(huán)境,是一種大膽的突破,此后也培養(yǎng)出了非常多成功的科學家和各個領域的人才。”

2016年,若溪從少年班畢業(yè)后前往美國康奈爾大學攻讀理論物理學博士。2017年中科大做過統(tǒng)計,在過去的38年間,中科大少年班共畢業(yè)了超過3400名本科生,其中不乏知名校友,如曾任微軟亞洲研究院院長兼首席科學家的張亞勤、浙江大學校長杜江峰,以及哈佛大學最年輕的華人教授之一尹希等等。上世紀40年代當李政道以大二學生的身份橫渡太平洋時,他也許不敢想象,自己離經叛道的經歷將在未來成就更多年輕人。2023年7月,97歲的李政道手寫賀卡慶祝了中科大少年班開辦45周年。時至今日,西安交通大學、北京大學等多所高校紛紛開設少年班,為中國廣袤土地上的早慧少年提供更多選擇和機會。

少年班制度就是李政道種下的一棵大榕樹,今已亭亭如蓋?!耙粯涑闪帧笔情艠涞奶卣?,也是中國科學院院士、北京大學電子學院院長彭練矛對李政道最深的印象。1993年,李政道在夏威夷工作期間,去附近的一個公園參觀一棵樹——它被稱為“世界上最大的樹”。到了那里,他卻只看到一片占地一平方公里的樹林。公園的工作人員解釋說,這片樹林就是他要找的那棵樹。它在這片土地上不斷地生根發(fā)芽,長出新的樹木,但這些樹的根脈始終相互連接,共同構成了這棵“最大”的樹。李政道遂作榕樹畫,并題字“千枝萬根皆相連,遍野成林僅一樹”。

2006年9月5日,李政道在北京舉行的“2006諾貝爾獎獲得者北京論壇”上發(fā)表演講(視覺中國/圖)

“我不是李先生學業(yè)意義上的學生,但李先生是我的恩師。他的CUSPEA改變了我的生活軌跡?!迸砭毭f的CUSPEA的全稱是“中國-美國物理考試和申請計劃(China-U.S. Physics Examination and Application)”,旨在為中國優(yōu)秀的物理學學生提供赴美留學的機會,尤其是攻讀研究生學位。

改革開放初期,國內外交流渠道有限,許多中國學生難以直接申請美國的研究生院。李政道意識到這一問題后,于1979年發(fā)起并創(chuàng)建CUSPEA,為中國學生提供公平的渠道,使他們能夠參加標準化的物理考試,并以此為依據(jù)申請美國的研究生院。通過考試的學生會得到李政道及其他物理學家的推薦,幫助他們申請美國的頂尖大學。CUSPEA項目的推薦信在當時的美國大學中有很高的權威性。

1978年,16歲的彭練矛通過高考進入北京大學,他深知知識貧乏、思維蒼白是無法推動科研巨輪行進的,格外珍惜在北大的每一個學習機會。1983年,在北京大學電子物理教授西門紀業(yè)的鼓勵下,彭練矛以優(yōu)異成績通過CUSPEA選拔,前往亞利桑那州立大學美國國家高分辨電子顯微學中心攻讀博士學位,師從高分辨電子顯微學先驅約翰·考利。1994年彭練矛從海外回國,回到北京大學鉆研芯片。大榕樹畫作也被很多人認為是李政道和CUSPEA學者的寫照,榕樹的氣生根連接到地下,“但無論多大,都是同根同源的。”

CUSPEA項目在1988年結束,其間有超過900名中國學生通過該項目赴美留學,培養(yǎng)出諸多國際知名的科學家,對中美兩國的科學界都產生了深遠影響。項目初期,李政道每天要撥出“至少1/3的精力”閱讀申請人材料、寫推薦信、解答學生問題等等。李政道在工作很久以后才從辛普森教授那里得知,為了自己順利入學芝加哥大學物理系,費米做了很多努力,2007年接受諾貝爾獎委員會采訪再度被問道費米到底為此做了哪些努力時,李政道只能感嘆,“現(xiàn)在想問他為時已晚了?!?/p>

不過這些或許都不再重要。李政道已經將那顆年少時獲得的榕樹種子,培育成了茂密的樹林。

(應采訪對象要求,若溪為化名。)

網友評論

用戶名:
你的評論:

   
南方人物周刊 2024 第805期 總第805期
出版時間:2024年09月09日
 
?2004-2022 廣東南方數(shù)媒工場科技有限責任公司 版權所有
粵ICP備13019428號-3
地址:廣東省廣州市廣州大道中289號南方報業(yè)傳媒集團南方人物周刊雜志社
聯(lián)系:南方人物周刊新媒體部