一个天才物理学家的成长之路
作者:苗千
李骏康出生于苏州。他在就读了东吴大学一年之后转入南京金陵大学农林科,1918年毕业后到上海从事化肥贸易。李政道的母亲张明璋则出生于上海一个天主教家庭,毕业于上海启明女校。他父母两人在上海相识相恋,总共育有五子一女,长子李宏道与次子李崇道均出生于苏州,行三的李政道则于1926年11月24日出生于上海。
1935年,李政道入读上海南市区私立清心中学(今上海市南中学)的小学部。当时作为富家子弟的李家兄弟上下学都有车夫接送,生活优渥。这所学校的教学也是中西并重,除了涉及中国文化的课程之外都是用英语教学。
从上海乘火车回到苏州祖父家,是李政道最美好的童年回忆。其祖父李应积是苏州当地知名的基督教牧师。几代以来,李氏家族受到基督教影响颇深,也与东吴大学(今苏州大学)的渊源甚深,其曾祖父李子义是东吴大学的主要创办人之一。虽是在宗教氛围浓郁的家庭环境中长大,李政道却从未信仰宗教,而是自幼就展示出对于自然规律的好奇。当做牧师的祖父对他讲到天上的上帝,李政道则会发问:“上帝在天上为什么不掉到地下来?”尽管李政道生长于一个富裕和睦的家庭,但在当时特殊的历史环境下,富足、安逸的生活实则是被笼罩在战争的阴影之下,随时都可能被打破,变成另外一种景象。1937年8月,淞沪会战爆发,战况惨烈,上海市民死伤数十万人。李政道所居住的上海南市区遭到了日军的猛烈袭击。刚刚念了两年小学,还不满11周岁的李政道跟随家人搬入了当时相对安全的英国租界。李政道无忧无虑的少年时代由此被战争所摧毁,此后这个少年便与家人聚少离多,屡经危难,所受教育更是时断时续,难以寻到一张安静的书桌。
在日军的包围之中,搬入英国租界的李政道略过了剩余的小学课程,转入国光中学借读。1938年8月,李政道与二哥李崇道又转入由苏州迁至上海的东吴大学附中,成为初中二年级学生。在当时的上海英国租界,因为大量人口的涌入出现了短暂又畸形的繁荣。母亲为李政道存储的一份有奖储蓄中了500银圆的大奖,这让李政道在短暂的中学时代感觉非常富有,经常出入各家书店。他回忆自己当年不仅读了中国古典小说,也有机会读到英美文学经典著作,如马克·吐温的《汤姆·索亚历险记》。也正是在这个时期,李政道接触到了由曹大同翻译的英国物理学家亚瑟·爱丁顿(Arthur Eddington)的著作《膨胀的宇宙》,首次感受到了宇宙的神奇之处。
覆巢之下,安有完卵。1941年12月7日,太平洋战争爆发。上海英法租界迅速被日军占领,年仅15岁的李政道跟随着当时18岁的二哥李崇道与其他亲人分离,加入难民队伍,开始了逃亡生活。
兄弟两人躲避战火,一路向西南走去,想要到达当时由国军控制的浙赣山区。一天恰好有火车,而两人的钱只够买一张票,于是李崇道让李政道先行逃走,兄弟两人也就此分离。搭乘了一段火车之后,李政道又跋涉数百公里到达衢州市常山县绣溪镇樊家村,进入在那里刚刚成立的收容流亡学生的省立中学第三部——也称“常山临时中学”——借读。
没过几个月,随着日军的逼近,李政道只能继续逃亡,南下经福建进入江西。这一路的吃住全靠流亡学校与好心人的安排,但几百公里的艰难跋涉还是让李政道染上了严重的疟疾和疥疮。1942年春天到达江西赣州后,李政道体力耗尽,便留在当地,被救助流亡学生和难民的机构所收留。
在赣州短暂安顿了下来,李政道首先要解决的就是生存问题。那时每到下午,日军的飞机常来轰炸,赣州城里茶馆的人要出城去防空洞里避难。于是李政道便和一家茶馆的老板商量:敌机来了你去避难,茶馆交给我来照看,只要客人吃剩的东西让我吃就行。初到赣州的李政道就靠着这个方法填饱肚子。有一次李政道在大树下躲避日军袭击,清楚地看到了飞机里戴着头盔和眼镜的日军飞行员,只能尽量缩起身子躲避。大树的叶子被机枪扫射掉落一地。
在赣州逐渐安顿下来的李政道,空闲时会去市图书馆读书。也正是在这里,他第一次读到了由当时厦门大学校长萨本栋撰写的《普通物理学》上下两册教科书。当时16岁的李政道靠着这套教科书见识到牛顿力学三定律,也首次系统性地自学了物理学基础知识。李政道仍想尽量完成学业。他试图进入当地的省立赣县中学,但因为名额有限未能成功。后来终于得以进入赣州联中,完成了一年的高三学业。因为赣州联中的学生不断增加,师资力量不够,年仅16岁的李政道还被学校聘为低年级的物理和数学教师。当年的全国高考考区主要根据地理位置划分。李政道当时已经打定主意赴贵阳报考正在贵州办学的浙江大学,便没有参加赣州联中的“三民主义夏令营”,因此没有获得高中毕业证书,只能以同等学力投考。他之前做物理和数学教师的工资也成了他远赴贵州报考浙江大学的路费。
直到他在美国接受博士训练,我们回顾在这之前李政道所接受的基础教育都是支离破碎的。他的小学、初中、高中,乃至后来在浙江大学和西南联大,都因为各种原因没能够正式完成。因此他一生中所拥有的唯一一张文凭便是后来芝加哥大学的博士毕业证书。
在极其艰苦的条件下,李政道唯有依靠自学。这样的教育方式,对于普通人来说可能是灾难性的,但是对于如李政道这样的天才人物来说,则可能是对头脑的独特历练。也正是这样的学习经历,让李政道习惯于通过自己的方式去理解和解决问题。他在哥伦比亚大学的学生,物理学家诺曼·克里斯特(Norman Christ)在接受本刊采访的时候总结李政道的研究方法时说道:“他真的想通过自己去理解一切。他不读别人的论文。如果他听说了一些问题,他会尝试着自己解决。”
大约也正是在这个时期,由少年向青年过渡的李政道经历了颠沛流离乃至生命危险,又领悟了基础物理学,于是开始有意识地思考生命的意义以及自己人生的方向。后来李政道曾面对镜头说:“当一个人生存很艰难困苦的时候,你问他活着有什么意思,为什么活?在战乱和饥荒中到处都在死人,死跟生是很近的,总要有一个动力让你觉得要活下去。对我来说是什么动力呢?我看了那套商务印书馆的大学教科书,知道了自然界居然是有定律的!所以觉得人生研究一下这个倒很有意思。在赣州那段孤独无助的岁月,在敌机轰炸之下的逃难路上,环境再危险再艰苦,还是想办法要鼓励自己生存下去。怎么鼓励自己呢?每一个个人都有生存的意义。都是生命,可我跟蚂蚁不一样,我可以了解这个宇宙是怎么演变的,世界万物遵循什么规律,而蚂蚁不能。”
这些话是李政道在艰苦卓绝的环境中的个人体会,却与另一位著名物理学家史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)的一句名言有异曲同工之处。霍金曾说:“我们只是生活在一颗普通恒星的一颗小行星上的高级猴子。但是我们可以理解宇宙,这让我们很特别。”这两位物理学家,在不同的人生阶段、不同的社会环境中,不约而同地将探求宇宙的规律看作人类最独特,也是最高贵的特点。浙江大学在1937年淞沪会战之后,由校长竺可桢带领一路迁移,在经过浙江、江西等省之后,最终在贵州省遵义地区湄潭县办学。从江西赣州到贵州贵阳,李政道一路跋涉几百公里,最终在贵阳参加了当年贵州考区的高考,并以高分考进当时浙江大学录取分数最高的电机系。
由同学束慰曾介绍,李政道在大学正式开学前一个多月便见到了对自己一生产生了重大影响的名师束星北,也结识了浙大物理系的另一位物理学家王淦昌。在这段时间,李政道经常听两位物理学家讲解和探讨物理学问题,对物理学由懵懵懂懂到真正产生了兴趣,并经常住在浙大物理系里。于是到了秋季刚一开学,他便和几个同学一起由电机系转入物理系。
李政道后来多次提到自己在学习过程中遇到的几位名师。他曾说,“我最早接受的启蒙光源就是来自束星北老师”。也曾经回忆道:“我跟束老师都是聊天,从他那里学习,他的想法启发我的想法。我也不一定都同意他的想法,我说的他也听。束老师帮助我建立了我对整体物理的了解和自信,使我一生受益。到了西南联大,我跟吴大猷先生也是一样的,后来跟费米教授也是一样的。”
在战乱之中,名师遇到天才学生,难免会生出惜才之心,因此对其格外照顾。无论是浙大的束星北还是后来在西南联大的吴大猷,都对李政道另眼相看。束星北的女儿束美新就曾经写道:“父亲(束星北)对他学生的感情,要远远胜过他对子女的感情,尤其是对有天才和勤奋的学生,李政道先生无疑就是其中最突出的一位。”在数十年之后,我们若以更为高远的视角回顾那个特殊的时代,会发现李政道在国内颠沛流离的求学期间能够屡屡遇到赏识自己才华,在极大程度上激励自己探索物理学的良师,并非只是某种“奇遇”。这与从清末民初一直延续到当时的留学热潮、在欧洲爆发的“第二次物理学革命”,以及物理学研究的特点都有密切关系。
中国人出国留学的潮流可以追溯到清末的洋务运动时期。由容闳倡导,120名幼童在1872年至1875年之间先后分四批赴美国学习。尽管这次留学计划未能全部完成,留学生们被清政府提前召回,在这些幼童中仍然出现了如民国初年第一任国务总理唐绍仪(第三批)、清华学校首任校长唐国安(第二批)、中国第一条铁路总工程师詹天佑(第一批)、北洋大学督办蔡绍基(第一批)等人才。
在洋务运动中期官派的船政留学生更是目标明确,就是到欧洲各国学习船政与军事,发展壮大中国海军的实力。1895年在威海卫海战中鏖战日军、以身殉国的北洋水师右翼总兵刘步蟾,在当年赴欧洲留学时就曾经留下豪言:“此去西洋,深知中国自强之计,舍此无所他求。背负国家之未来,求尽洋人之科学。赴七万里长途,别祖国父母之邦,奋然无悔。”
甲午战争之后,日本的快速进步让中国又兴起了一股赴日留学的热潮。清政府在1896年派遣13名学生赴日留学。1898年,张之洞又选派了20多人进入日本陆军学堂学习。到了1905年,中国在日本留学的学生已经有8000余人。
1907年,美国国会通过议案,从1909年至1940年,美国将逐年逐月向中国退还“庚款”,并将所退资金用于选拔中国学生赴美留学和中美文化交流。这笔“庚款”开启了中国由官方至民间的大规模留美热潮。这次留学潮要比前两次持续的时间更长,学生选择的留学科目也明显更加广泛。及至李政道进入到求知若渴的青年时期,虽然身处于战乱之中,却也不难遇到从欧美留学归国,了解西方最新科学理念的良师。李政道的物理学启蒙教师束星北在1926年留学美国,之后游历欧美,受到过西方多位名师的指点,眼界不凡。之后李政道在西南联大物理系的多个教师大多也都是留学归来。其中将李政道带至美国的吴大猷(密歇根大学博士),起初就是由当时同在西南联大教学的饶毓泰(普林斯顿大学博士)和叶企孙(哈佛大学博士)介绍出国留学的。也就是说,当时西南联大物理系不算大的教师团队已经有了不止一代从海外归来的物理学家。
在束星北、吴大猷等老师的引导之下,李政道选择学习物理学,也有其幸运之处。留学生出国留学,最看重的往往是有实际效用的科目,例如学习军事、船务等学科都可以直接为政府服务。鲁迅在1902年2月留学日本时,最初选择的是当时最流行的矿学。李政道当年以同等学力报考浙江大学,最初考入的也是录取分数最高、在战争年代最吃香的电机系。
当时的物理学发展到了一个微妙的阶段。在20世纪初,欧洲爆发了“第二次物理学革命”,量子力学和相对论登上了历史舞台。在这场革命中,旧思想没有了用处,年轻人占领了物理学研究的最前沿。到了20世纪40年代,这场物理学革命的最高潮已经过去。同时伴随着世界大战的影响,世界物理学研究的中心也逐渐由欧洲转到了美国。“原子弹之父”罗伯特·奥本海默(Robert Oppenheimer)正是最先在美国讲授量子力学的美国物理学家之一。从20世纪40年代开始,众多美国的年轻天才即将在欧洲前辈的基础之上,将这场物理学革命推向又一个高潮:量子场论、粒子物理学、宇宙学等新学科即将出现——李政道正是在这个关键节点赴美国留学。
物理学是一门实验性极强的学科。在战争年代,想要建立起完善的大学物理实验室几乎是不可能的。吴大猷在《回忆》中写道:
离开北平时,曾将分光仪的光学部分(三棱镜)带出来了,于是我便请由美国回昆明的马大猷带一具低压汞弧灯……另外又请北大校方在岗头村租了一所泥墙泥地的房子做实验室,找一位助教帮我把三棱柱等放在木制的架子上,拼凑成一个最原始的分光仪。试着做一些“拉曼效应”工作。
我想,在20世纪,在任何实验室里,不会找到一个仅靠一个三棱镜,并且是用一个简陋木架做成的分光仪。我们为此动了不少脑筋。通过实验,虽得到了一些结果,但都不是比较重要或极有意义的研究项目。但我总觉得这样做,总比坐着不干要好得多。
在这样的条件下带学生进行物理学实验实在难以达到满意的效果。但是在19世纪末开始出现、由爱因斯坦推向顶点的理论物理学在某种方面则是“反其道而行之”,它利用数学作为研究工具,研究物理学理论。这样的研究方式在极大程度上只需要纸和笔就可以完成研究和教学。可以说,李政道这样的天才学生,在极其简陋的条件下选择以不依赖实验的理论物理学为重,又得名师传授,才得以扬长避短,开阔眼界。
但对于物理学家来说,能够设计和操作精确的实验本该是一项必备技能。在这方面,无论是李政道还是他未来的合作者杨振宁都有明显的缺陷。在西南联大时,叶企孙给李政道讲授高等电磁学。在了解李政道早已通读课本并且解完了所有习题后,叶企孙对李政道说:“以后我的课你可以不必来听,参加期末考试就行了。但是实验你必须做,绝对不许缺课!”
李政道这门课的考卷后来被叶企孙保留了下来。可以看到考试由两个部分构成:其中理论部分的满分60分,李政道得了58分;而实验部分的满分40分,李政道只得了25分,总分83分。在赵天池所著的《天语物道:李政道评传》中记载,“李政道刚进实验室时对仪器很好奇,这里看看那里碰碰,把一台光点式微电流计弄坏了。这种电流计是当时灵敏度最高的一种,通电流的线圈悬挂在极细的金丝上,使用时要把线圈防震锁打开,稍有冲击金丝就会断。当时联大物理系只有三台这种设备,损坏了一台就剩下两台了。这恐怕就是叶企孙先生在电磁学实验部分给李政道刚及格分数的原因”。在动手方面,李政道也远比不上自己在芝加哥大学的导师恩利克·费米(Enrico Fermi)。正是在费米等人的指导下,芝加哥大学建立了人类历史上第一个人工核反应堆“芝加哥1号堆”(Chicago Pile-1)。当然,现代物理学研究已经高度分化。像费米这样能够在实验和理论研究方面都极为出色,被称为“全能物理学家”的人物可能再也不会出现。而一个理论物理学家如果能够在自己的领域做到登峰造极,那么他其他方面的缺点也就会在很大程度上被忽视了。
进入大学,又得名师指点的李政道很快便展露出自己作为天才物理学家的才华和潜力。作为大一新生,他是唯一一个经常与束星北进行学术讨论的学生。同学从不见他花时间准备考试,但每次考试下来,他的考卷总被当作标准答案贴在教室里。
善于进行计算和解决难题,是李政道作为一个理论物理学家最鲜明的特点。普通的大学考试对于李政道来说没有任何挑战。而无论是浙江大学的束星北,还是后来在西南联大的吴大猷,都曾回忆李政道不断要求老师为其提供难题,而他则以解答难题为乐事。李政道自己也曾回忆:“吴大猷老师不是我的授课老师,但是我经常到他家去求问题,要他给我出有难度的物理习题。后来,吴老师干脆给我一本美国大学物理系高年级用的物理学教科书,要我把全书的习题都做出来。结果不到两个星期,我把这本书上的全部习题都做出来了。我把习题作业送给吴老师。吴老师看了颇为惊讶,说我做的习题思路独特步骤简单。他问我:‘你才学了一年的物理,这本书上好多习题要用许多你没有学过的知识来求解,你从哪里学的?’我告诉吴老师,我脑子里整天装着物理方面的问题,自己琢磨不出来,就去找书本看。我在做习题、研究问题时,从不去请人教我怎样解题,不套用别人的解题方法,总是自己解问求答。”时至1944年暑假,在浙大结束了大一学习的李政道赴重庆探望母亲。他搭乘了一辆邮政卡车从重庆返回贵州。结果卡车在山路上失控翻车,滚到了山沟里。车厢中的李政道翻滚至山下,陷入邮包之中。虽然大难不死,但他的头部和脊柱都受了重伤,被送到湄潭养伤,后来又被束星北送回重庆由母亲照顾。在重庆养伤期间,束星北送给李政道一本詹姆斯·金斯(James Jeans)撰写的《电学和磁学的数学理论》(Mathematical Theory of Electricity and Magnetism)。养伤期间的李政道不仅依靠此书学习了电磁学理论,还解答了书中的所有习题,手写出一本《金斯电磁学习题全解》。在李政道转入西南联大之后,这本习题全解被刊印,送给了西南联大的物理系学生。
通过解答难题以获得智力上的乐趣,是李政道一生的爱好。根据李政道中国事务的负责人王垂林介绍,李政道在退休之后,还经常重读自己年轻时代的论文以作消遣。后来他逐渐难以理解自己的旧作,便改为阅读大学物理教科书,并仍然以解答其中的习题为乐事。对于解决物理学难题如此痴迷,让人们难免要感叹这样的天才头脑确实与众不同。李政道的大儿子李中清(James Lee)在接受本刊采访时回忆,有一天父亲李政道问他:“你通常会做梦吗?”李中清回答说自己有时会做噩梦。李政道则说,自己一生中从未做过有情节的梦,只会在梦境中看到不同形状的几何图形。
因为李政道在1944年暑假遭遇车祸,他在浙大二年级的成绩为空。而后他在束星北的建议下准备转入西南联大物理系就读。西南联大是当时中国的最高学府,转学虽然在原则上可行,但标准极高,需要通过专门的转学考试。李政道在1945年春天抵达昆明。在参加转学考试之前,他带着一封介绍信去拜访物理系主任吴大猷。实际上,为李政道写介绍信的梁大鹏与吴大猷只是在美国时有过一面之缘,根本算不上熟人,但李政道的才华很快便给吴大猷留下了深刻印象。
根据李政道在西南联大物理系的同学好友、叶企孙的侄子叶铭汉回忆,初到昆明的李政道还带了另一封介绍信拜访生物系的陆近仁教授,请求他帮助解决临时住宿问题。当时西南联大学生的流动性相当大,学校管理宿舍的部门都不十分清楚学生宿舍里的床位实际入住情况,新同学往往依靠老同学帮助找床位,找到后在学校备案批准即可。当时陆近仁的儿子陆祖荫是西南联大物理系三年级学生,他帮助李政道在西南联大学生宿舍找空床位。陆祖荫睡的双人床的上铺没有人,李政道这才有了安身之处。1945年8月,叶铭汉回西南联大复学,宿舍与李政道相邻,两人由此成了一生的好友。
李政道通过了西南联大物理系春季学期的期末考试,在暑假又顺利通过了转学考试,在1945年秋正式注册为西南联大二年级学生。西南联大的图书馆不够大,于是当时很多学生喜欢去校外的茶馆看书。当地有些专为学生服务的茶馆提供方桌,摆有明亮的煤气灯,学生们往往一坐就是半天。叶铭汉、陆祖荫、楼格、李政道四个好友常常一起去茶馆,占一张方桌,或看书,或讨论问题,或做习题。
一年之后,李政道的命运再一次因为战争形势而改变。1945年抗日战争胜利,西南联大并未立即迁走,而是留在昆明继续授课一年。李政道本应跟随他所注册的北京大学回到北京开始三年级学业,但在机缘巧合之下,他跟随恩师吴大猷来到美国,正式开启了自己作为物理学家的生涯。1945年8月,美军先后在日本广岛和长崎投下两颗原子弹,造成了这两座城市的毁灭,也直接促成了日本无条件投降,第二次世界大战正式结束。原子弹的出现震惊了全世界,曾经的最高机密、研究原子弹的“曼哈顿计划”公之于众。
仿照“曼哈顿计划”,蒋介石成立了“种子计划”,拨款5万美元,派遣物理学家吴大猷、数学家华罗庚和化学家曾昭抡三人,各带两名助手,赴美国学习制造原子弹的技术。最终吴大猷选择了已经留校任教的朱光亚和当时年仅19岁、刚刚完成大学二年级学业,却公认是天才人物的李政道;华罗庚选择了孙本旺和当时已经在美国的徐贤修;曾昭抡选择了唐敖庆和王瑞酰。这一行人先后抵达美国,希望将制造原子弹的技术带回中国。
实际上,当时美国绝不可能将制造原子弹这种最先进且威力巨大的技术传授给中国人。刚刚抵达美国,一行人就明白了,作为中国学者,想要参与原子弹研究绝无可能。“种子计划”根本无从开展。于是带队的三位教授改为去相关机构访问考察,而六名年轻学者则根据自身条件自愿进入美国的大学或研究机构学习。这笔5万美元的经费,被作为奖学金,每人分得5000美元。
同为物理系学生,相比之下朱光亚的选择要容易得多。他由吴大猷推荐进入密歇根大学攻读博士学位,后来在1950年获得学位后归国任教。李政道虽然也想进入密歇根大学学习,但是因为没有大学学位而被拒之门外。带着吴大猷的推荐信,李政道又尝试进入芝加哥的西北大学学习,依然失败了。一再碰壁之后,命运指引李政道遇到自己的又一位恩师,把他塑造成一位杰出物理学家的大师级人物,芝加哥大学的恩利克·费米。几十年后,回忆起这段往事,李政道说:“当初蒋介石派出去学做原子弹的几位,只有光亚是派对了,他回国时做原子弹了。选我是选错了,我没有学做原子弹,仅在纯理论物理的领域中工作。其他几位也都没有去做原子弹。”
1946年秋天,李政道由旧金山抵达芝加哥,希望能够进入芝加哥大学的研究生院学习。根据季承所作《李政道传》记载,当时是李政道和朱光亚陪同吴大猷的夫人阮冠世一同到达芝加哥。而吴大猷让已经在芝加哥大学做助教的杨振宁提前为几人在大学的国际公寓安排了房间。这也是李政道和杨振宁两人的首次正式会面。
将目标定在芝加哥大学,实属当时的无奈之举。李政道没有大学文凭,只有两年的大学成绩单,大多数的美国大学都拒绝接收。唯有芝加哥大学不重文凭,规定想要入校读书只需满足两个条件:一是通过入学考试;二是熟读校长罗伯特·哈钦斯(Robert Hutchins)所指定的几十部西方经典名著。
对于李政道来说,通过入学考试难度不大,但是第二个要求却让他难以达到。当时年轻的芝加哥大学校长、教育家哈钦斯注重天才教育,给学生以充分的学习自由,鼓励自学,因此设立了这样在常人看来难以理解的入学条件。只不过这个要求对于刚到美国的李政道来说就显得过于苛刻了。
为了给自己争取一个机会,李政道到芝加哥大学的招生办公室据理力争,表示这个要求对于一个刚到美国的中国学生来说并不公平。他辩解说虽然自己对于哈钦斯校长列出的这些西方名著一无所知,但是对于《孔子》、《孟子》和《老子》等东方经典却十分熟悉,愿意接受考核。在据理力争之下,最终李政道获得了在芝加哥大学研究生院的试读生资格。
通过这件事,我们可以看到天才的另一面:李政道非常善于从不同的立场出发,通过与人交流沟通,最终说服对方。这是一种完全不同于物理学家进行研究所需的聪明才智,而是一种善于从不同的角度与人沟通,甚至带着一点市井色彩的现实智慧。可能正是因为从少年时代便一个人独自逃难,饱尝生活的辛酸,才让李政道拥有了这种智慧。善于沟通和劝说,以及善于利用自己的影响力,也成为李政道个性中的一个鲜明特征。几十年后,大约也只有李政道这样具有极高的学术声望,又善于和各个不同的机构打交道,能够不厌其烦协调各方关系的人物,才能够在20世纪80年代初周旋于中美两国之间,周密计划,最终促成了中美联合培养物理类研究生计划(CUSPEA)项目,协助近千名中国学生赴美留学。
初到芝加哥大学的李政道马上发现自己身处一个真正的学术殿堂之中。当时芝加哥大学物理系可谓名师荟萃。以恩利克·费米为首(1938年诺贝尔物理学奖得主),汇集了如爱德华·泰勒(Edward Teller,氢弹之父)、苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡(Subrahmanyan Chandrasekhar,1983年诺贝尔物理学奖得主)、罗伯特·马利肯(Robert Mulliken,1966年诺贝尔化学奖得主)等多位大师级人物。虽然学校鼓励学生自由发展,但在进入大学物理系的研究生院之后,李政道还是选修了多门课程,包括泰勒讲授的量子力学。随后在一次量子力学的考试中,李政道解出了一道涉及分数阶微积分的难题。这让泰勒教授对这位20岁的试读生印象深刻,并把他的试卷拿去给费米看。费米认识了这个聪明的中国学生,很快便邀请他参加自己的晚间讲座。
费米的晚间讲座并非人人都可以参加,而是要由费米亲自挑选系里最为杰出的学生。有些学生因为不能参加这样的讲座竟会郁郁多年。在李政道和费米熟识之后,由费米和当时的系主任威廉·扎卡里亚森(William Zachariasen)向学校招生办公室游说,李政道终于注册成为芝加哥大学的正式研究生。
1947年春天,系主任扎卡里亚森通知李政道,他被选为“大学学者”(University Scholar),并且获得了“大学奖学金”(University Scholarship)。这份奖学金十分丰厚,不仅可以免去学费,每年还有1500美元的资助。李政道考虑到自己已经有了来自国民政府资助的5000美元,本打算放弃又一份奖学金,但扎卡里亚森劝说道,这也是一个特殊的荣誉,毕竟全校一共只有两个名额。于是李政道便接受了这个荣誉和丰厚的奖学金。
被免除学费,还拿着双份奖学金,这让李政道的经济条件变得十分宽裕,于是他花费了800美元巨资购买了一辆二手汽车——开着这辆车,李政道、杨振宁,以及生物系的中国学生凌宁,三人在1947年从芝加哥出发游览美国。他们一路向西,在到达西雅图之后又一路南下到达旧金山,接到凌宁的弟弟凌容,转而又游览了科罗拉多大峡谷。在40公里长的大峡谷底,凌宁、凌容和杨振宁三人与在岸边等候的李政道失去联系。李政道惊慌报警,后来终于在谷底找到了干渴饥饿的三人,算是有惊无险。随后他们又经新墨西哥州和科罗拉多州,回到了芝加哥。关于这次旅行的种种细节,之后李政道和杨振宁双方的讲述各有不同。李中清向我们强调说,当时李政道是芝加哥大学唯一买车的中国学生。他还提到“那是一辆福特牌汽车”。
李政道在1948年春天参加了芝加哥大学物理系极为严格的研究生资格考试。考试被称为“基础考”,三个整天的笔试涉及物理学的各个方面,考试结果则分为不合格退学、可以继续取得硕士学位与合格进入博士研究三种。李政道顺利通过研究生资格考试,获得博士研究资格,正式成为费米的博士生。
当时费米是世界知名的学术大师,很多学生正是因为费米才专程来到芝加哥,而李政道此前对费米并没有太多了解,能够成为这位大师的学生,确实是李政道的格外幸运之处。对于绝大多数物理学家来说,博士训练是最为关键的阶段。正是在与导师的讨论之中,一个人受到熏陶,进而才能逐渐形成自己的研究风格。正如2004年诺贝尔物理学奖得主戴维·格罗斯(David Gross)此前在接受本刊采访时表示,一个人是在研究生院里真正成长为一个物理学家。他说:“对于一个科学家来说,最重要的是学习如何做研究。但是没有人可以教你,也没有书本写着该如何做研究,怎么进行创造性的思考。只有一种方法,就是看其他人是如何做的,你的榜样们是怎么做的,他们如何与别人进行互动。从这方面来说,你只能从身边的熟人那里学习。就像是一个人想要成为一个好木匠,就必须先跟随一个好木匠进行学习;想要成为一个有创造力的科学家,就要跟随一个好科学家进行学习。”
费米不仅是当时世界上最著名的物理学家之一,更重要在于,他还是一位极好的老师。要知道一个优秀的物理学家未必就能成为一个优秀的老师。很多大师级人物,因为自身的性格或方法等因素,都无法培养出高徒。一个人既是大科学家,又能够培养出优秀的学生,这样的例子极其少见。
英国物理学家欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford)不仅自己获得了1908年的诺贝尔化学奖,令人惊奇的是,与他共同工作的助手、学生和博士后等,先后有10人获得过诺贝尔物理学奖或是化学奖,堪称奇迹。美国物理学家约翰·惠勒(John Wheeler)虽然自己未曾获得过诺贝尔奖,但他先后指导了超过50名博士生,教育出几代美国物理学家,其中包括理查德·费曼(Richard Feynman)和基普·索恩(Kip Thorne)这样的诺奖得主。
除了以上这两个例子之外,在物理学界算得上“名师高徒”组合的也只有费米及其一众弟子了。费米总共指导了11名博士生,个个都是极其出色的物理学家,包括李政道在内,其中有5人获得了诺贝尔物理学奖。这个比例实在令人惊叹。
可以说,费米在很大程度上通过言传身教塑造了作为物理学家的李政道。有一次费米要李政道给他做一个关于太阳内部结构的报告。在李政道做报告时,费米发问:太阳的中心温度是多少?李政道回答文献上说大约1000万度。费米追问是否核算过,李政道回答说要精确计算这个问题,需要手动求解两个极为复杂的微分方程。因为太过麻烦,因此他没有核算。
费米对于李政道的回答并不满意。于是他和李政道设计了一个用于求解微分方程的计算尺,两人在实验室的加工作坊里亲自做木工,花费两天时间造出了这款计算尺,而后再利用这个计算尺计算了太阳从表面到中心的100个点的温度。
费米和李政道都习惯于自学,不喜欢接受别人的成果,而是用自己的方法从零开始,构建起整个知识体系,这是两人的相似之处。作为导师,费米在理论和实验操作方面能力都极强。另外他对学生极有耐心,循循善诱,最终才将李政道塑造为一个杰出的物理学家。后来李政道深情地回忆导师:“费米的与众不同不仅仅是在物理方面他的成就卓越超众,他平时待人接物方面非常和善。他给我指点了论文题目,而我却说不想做。我是未经世故不知天高地厚。如果碰到其他教授会说,那你就别跟我做了,另请高明吧。但是费米却说,那好吧,你来教我。这需要极大的耐心和和善。当时我太年轻,不知道自己多么幸运,遇到多么特殊的好老师。”对于李政道来说,1948年显然是在多个领域都取得了突破的年份。这一年里他不仅通过了博士资格考试,投到费米门下,在这一年的圣诞节期间,他还完成了自己的第一篇学术论文。这是与杨振宁和马歇尔·罗森布卢特(Marshall Rosenbluth)合作完成的关于弱相互作用的论文《介子与核子及轻粒子的相互作用》(“Interaction of Mesons with Nucleons and Light Particles”),这篇论文随后在1949年3月1日发表于《物理评论》(Physical Review)——这也是李政道与杨振宁两位天才人物持续十多年时间合作研究的开端。
在完成这篇论文之前,李政道在这年夏天还参加了在密歇根大学举办的理论物理暑期讲习班。作为一个博士一年级新生,他了解了在量子电动力学领域的最新进展,还首次见到了两位年轻的天才人物。当时年仅30岁的物理学家朱利安·施温格(Julian Schwinger)报告了他对量子电动力学进行重整化的最新进展。实际上,在半年之前施温格就已经在一个更重要的场合——在哥伦比亚大学举办的美国物理学年会上报告过这个内容。当时因为他的成果太过重要,数学方法又太过复杂,被听众接连要求改换更大的场地,因此一连做了三次报告,可谓一鸣惊人。
李政道在1948年夏天才第一次听到了施温格的进展。这项进展确实过于复杂,不仅李政道当时无法理解,就连费米也一时无法掌握。但这次经历让李政道大开眼界。施温格的进展也在很大程度上影响了李政道后来的工作。
除此之外,另一位性格活泼幽默的天才人物,当时同样30岁的理查德·费曼也在暑期班上再次讲解了他发明的用于量子电动力学计算的“费曼图”——这个初看起来造型怪异的图形起初并不被人们所接受,后来却成为物理学家进行量子电动力学计算的标准方法。对于李政道来说,在1948年发生的另一件大事是结识了出色的实验物理学家吴健雄。当时吴大猷在纽约哥伦比亚大学与伊西多·拉比(Isidor Rabi)共同做实验。李政道前去探望,吴大猷便向他介绍了在哥伦比亚大学工作的吴健雄,并参观了吴健雄的实验室。
李政道回忆,“健雄那时正在磨一个东西,我就问:‘你在干吗?’当时,她正在一步步地纠正以前β衰变实验中的错误。她说要正确地做β衰变实验有两个秘诀:第一,使用的晶体表面一定要光滑,不能有脏东西;第二,电子要训练得特别好,使之不‘straggling’(离散)”。吴健雄“训练电子”的态度让李政道颇为惊奇。对于理论物理学家来说,这些微观粒子只是公式中描述的对象,而对于实验物理学家来说,却需要“像对待猫、狗一样,细心爱护、训练电子。电子训练得好,晶体里面没杂质,从它们的行为中得到的数据才能告诉你实在的世界是怎么回事”。
吴健雄做实验的目的,是为了解决当时核物理学的一个难题。针对β衰变电子能谱的解释,在当时出现了“科诺平斯基—乌伦拜克理论”和“费米理论”两种解释。最终吴健雄通过精准的实验否定了“科诺平斯基—乌伦拜克理论”,证明了费米理论的有效性。
多年来,吴健雄往往被人们拿来与李政道和杨振宁相提并论。提到吴健雄,必然会提到李杨二人的理论;而提到李杨二人,又自然会提到吴健雄的实验。将这三位物理学家联系在一起的,是在1956年先由李政道、杨振宁两位理论物理学家提出,随后被吴健雄通过实验证实的“宇称不守恒”。实际上,人们若只是关注吴健雄这一次的实验成就,未免对这位出色的华裔女性实验物理学家太不公平。
吴健雄于1912年5月31日出生在苏州市太仓县的浏河镇,自幼便在父亲吴仲裔为女童创办的明德学校读小学,而后在1923年考入江苏省立第二女子师范学校,在1929年又被保送进入上海中国公学,很快就因为才华出众而受到学校里多位教师的赏识。尤其是当时担任中国公学校长的胡适极为欣赏吴健雄,并与她成为忘年交。吴健雄在1930年考入南京中央大学,起初学习数学,后来改为物理学。在大学期间她还曾经在浙江大学和中央研究院学习物理学课程。正是在中央研究院导师顾静徽的鼓励下,由叔父资助,吴健雄辞别了父母,在1936年赴美留学。
到达美国后,吴健雄进入加州大学伯克利分校,成为诺贝尔物理学奖得主欧内斯特·劳伦斯(Ernest Lawrence)的学生,并结识了当时同在伯克利进行研究的袁家骝。1940年博士毕业后,吴健雄留校做博士后,在1942年与袁家骝结婚。之后两人辗转多地。吴健雄曾经先后在史密斯学院、普林斯顿大学和哥伦比亚大学等处工作。她的一项关于氙的放射性同位素的工作曾经意外地对研发原子弹的“曼哈顿计划”起到了促进作用,她也曾参与研究利用气体扩散法分离铀元素的两种同位素。“二战”结束之后,吴健雄留在了哥伦比亚大学担任副研究员,之后升任副教授、教授,直到1981年退休。
吴健雄于1997年2月16日去世。听到噩耗,悲痛不已的李政道写下纪念文章《吴健雄和宇称不守恒实验》。在文中,李政道将吴健雄一生中最重要的4篇科学论文填在了一个“想”字里。在前两篇实验中,吴健雄“对1934~1948年间物理学界在β衰变理论方面的研究工作做了一个总结,澄清了以前的谬误,否定了科诺平斯基—乌伦拜克的理论,确立了费米的理论,从而把β衰变研究推向一个新的阶段”。第三篇是发表于1957年2月15日的《β衰变中宇称守恒的实验检验》(“Experimental Test of the Parity Conservation in Beta Decay”)。“在这篇文章中,她以第一作者的身份,第一次用实验否定了宇称守恒定律,同时也否定了粒子-反粒子对称的假设。对称和守恒是物理学的基础,但这两个很重要的定律和假设都被健雄的实验推翻了。所以,这是一个划时代的实验。”第四篇是她与学生莫玮(L. W. Mo)和李荣根(Y. K. Lee)在1963年共同发表的论文,“他们的工作确立了电磁作用和弱作用结合的新概念,证明了弱作用的‘流’和电磁作用的‘流’有密切的关系,从而成为里程碑”。
1957年诺贝尔物理学奖授予李政道和杨振宁两位青年才俊,只用了不到一年时间便肯定了两人证明“宇称不守恒”的科学成就,其速度之快令人瞩目,甚至可称为“诺奖之最”。考虑到诺贝尔物理学奖最多可以同时授予三个人,在这两人之外却没有授予通过精密实验证明其论断的实验物理学家吴健雄,多年来引起了人们的颇多争议。很多人认为这是诺贝尔奖歧视女性科学家的表现。如果考虑到时间因素,李、杨二人的论文发表于1956年10月,而吴健雄的论文则是发表于次年2月,已经过了1957年诺奖的提名日期。从诺奖的提名记录来看,吴健雄在1957年并未获得诺奖提名,自然也就没有获奖资格。之后几年里吴健雄曾经获得过几次提名,终未能获奖。
关于诺贝尔奖对于女性科学家是否公平是一个经久不衰的话题。回顾20世纪的一些重大科学突破,首先拍摄到DNA晶体衍射图片的罗莎琳德·富兰克林(Rosalind Franklin)、脉冲星的发现者乔瑟琳·贝尔·伯奈尔(Jocelyn Bell Burnell),这两位杰出的女性科学家都与诺贝尔奖失之交臂。可以说,自古以来学术界对于女性的歧视是显而易见的。德国著名数学家阿玛莉·诺特(Amalie Noether,1882~1935)多年来都无法获得教授职位。以至于为她鸣不平的数学家戴维·希尔伯特(David Hilbert)在哥廷根大学的教师会议上愤怒直言:“这里是大学,不是澡堂!”
吴健雄当初留学美国,本想选择老师顾静徽的母校密歇根大学。但她听说密歇根大学歧视女性,校内由学生捐资修建的学生中心不允许女学生从其前门进入,于是转投加州大学伯克利分校。尽管在博士期间工作出色,吴健雄在毕业之后仍旧没能获得教职,只能留校做博士后,在很大程度上也与其女性身份有关。她在哥伦比亚大学工作多年,虽然成果卓著,却一直是副教授。她的办公室也很小,吴健雄开玩笑似的称之为“my little office(我那小办公室)”。
在李政道的纪念文章中还写道:“1956年我(李政道)当时已是正教授了。在系教务会上我提出,像吴健雄这么一个世界知名的科学家(那时候她虽还没有做宇称不守恒的实验,但是她早已是β衰变领域的权威了),应当升为正教授。会上的人居然全部都反对。我说,好,反对就反对,请每一位说出反对的道理。大家不讲,会就不散。会从两点开到五点多。讨论了很久,有位库施(P. Kusch)教授表示赞成,加入到我的一方。经极力游说,我的提议终以记名投票方式被通过,向校方提出。在她著名的证明在弱相互作用中宇称不守恒实验之后,哥伦比亚大学终于在1958年提升吴健雄为正教授。”
对于李政道的个人生活来说,1948年更是值得纪念的一年。正是在这一年的圣诞节期间,他初次见到了自己的恋爱对象,也是未来的妻子秦惠䇹。在圣诞假期,凌宁的妹妹南希来芝加哥旅游。凌宁当时并不在芝加哥,便委托朋友黄宛与李政道前去接站。两人开车到火车站,见南希与另一位姑娘出站,此人是南希在堪萨斯州莱文沃思圣玛丽学院(Saint Mary College,今圣玛丽大学)的同学秦惠䇹。南希学习生物学,秦惠䇹学习家政专业。
秦惠䇹也是上海人,毕业于上海天主教金科中学。她在1947年8月由上海到达美国,比李政道晚了大约一年时间,乘坐的则是前一年李政道所乘的同一艘邮轮“梅戈斯将军号”。凌宁知道自己的妹妹南希来到芝加哥是想找一个男朋友,便有意撮合妹妹与李政道。李政道当时22岁,在芝加哥大学一心向学,曾经许下誓言,在30岁之前专心学术不谈恋爱,哪想到却对秦惠䇹一见钟情。因此在1948年圣诞节期间,李政道一边要忙于自己的第一篇学术论文,另一边又要带着两位女士在芝加哥游览。待两人离去之后,已经陷入情网的李政道便给秦惠䇹寄去一封情书。
过了一个多月,秦惠䇹的回信才姗姗来迟。信中没有对李政道的表白做出明确回应,却邀请他5月去圣玛丽学院参加舞会。对于这场舞会,李政道自然是全力以赴。他不仅开始减肥,还参加了当地的舞蹈培训班。他的生活方式乃至外表的改变甚至引起了导师费米的注意,还以为他是在生活中遇到了什么困难。
李政道在舞会上的表现让秦惠䇹感到满意。之后李政道趁热打铁,又邀请秦惠䇹以及凌宁、南希兄妹一起开车去美国西部旅行。为了这次旅行,李政道提前做足了准备,帐篷、吊床、毯子、食物等一应俱全。他与秦惠䇹两人之间的感情开始迅速升温。到了1949年11月,秦惠䇹患阑尾炎住院。李政道闻讯立即赶去医院悉心照料。待秦惠䇹康复之后,两人终于正式确立了恋爱关系。
定情之后,两人分别通知了自己在国内的家人。秦惠䇹的父亲秦梦九还调查了李政道的家世,认为李家的地位配不上秦家,不同意这门婚事。可热恋之中的年轻人哪里会在乎这样的阻碍?秦惠䇹从圣玛丽学院毕业后,两人于1950年6月在芝加哥市政厅登记结婚。婚后,两人在威斯康星州的威廉姆斯湾安家。当年李政道24岁,秦惠䇹22岁。李政道从1946年开始跟随费米做博士研究,一开始他的研究重点在粒子相互作用以及原子核结构方面。费米给李政道介绍了几个论文题目,但是他对这几个题目都感觉没有太大的兴趣。后来在费米的引导下,他的研究兴趣开始向天体物理学转变。
李政道选修了钱德拉塞卡开设的“天体演化”课程。当时这位著名的天文学家在距离芝加哥大学100多公里的叶凯士天文台(Yerkes Observatory)工作。为了授课,他每周两次开车往返于大学和天文台两地之间300公里。关于钱德拉塞卡的这门课程,流传着一个著名的故事:有一次芝加哥风雪交加,天气极为恶劣。系里本来通知了钱德拉塞卡取消课程,可他还是冒着风雪去给学生上课。而当天只有两名学生去听课,就是李政道和杨振宁。
李政道的研究兴趣逐渐转向了宇宙中的神秘天体白矮星(White Dwarf)。而钱德拉塞卡正是研究白矮星的专家,因此这门“天体演化”课程对于李政道来说尤其重要。巧合的是,多年前在中国,尚处幼年的李政道接触的第一本关于宇宙的书是亚瑟·爱丁顿的著作《膨胀的宇宙》,而钱德拉塞卡在英国剑桥大学进行研究时曾经与爱丁顿交往密切。但是在关于白矮星的研究方面,两人的观点出现了分歧。爱丁顿认为所有恒星最终都会稳定地成为白矮星,而钱德拉塞卡则认为,恒星的归宿取决于其质量,并提出了“钱德拉塞卡极限”的概念。最过分的是,在一次学术会议上,爱丁顿居然当众撕毁了钱德拉塞卡的论文表示对他的反对。正是因为爱丁顿的反对,让钱德拉塞卡的研究在英国天文学界难以获得支持,这也是他后来出走美国,来到叶凯士天文台工作的原因之一。没想到在这里,李政道成为他的学生。
1949年10月,李政道通过了博士答辩。他随后提交了博士论文《白矮星的氢含量和能量产生机制》(“Hydrogen Content and Energy-Productive Mechanism of White Dwarfs”)。这篇论文随后被发表在《天体物理》(Astrophysical Journal)杂志,成为李政道第一篇独立发表的论文。李政道获得了自己人生中第一个,也是唯一一个学位:芝加哥大学的博士学位。一个天才且成熟的物理学家诞生了。
博士毕业后,李政道逐渐成长为一个独立的物理学家。以一篇关于天体物理学领域的博士论文毕业后,他请导师费米为自己的发展方向提出建议。李政道本来仍然对基本粒子理论充满兴趣,费米却认为在这个领域已经没有太大前途,基本粒子理论已经陷入穷途末路,建议他继续研究天体物理学理论。
费米在1950年判断粒子物理学领域没有前途,可以说是他少有的一次错误判断。在当时,计算粒子相互作用的量子场论陷入困难之中,很多物理学家都失去了信心。不过,在这个困难时期一些出色的想法也开始逐渐浮现出来。另外,随着加速器技术的进步,从20世纪50年代开始,越来越多的粒子加速器相继建成,物理学家开始发现各种各样新奇的粒子,描述这些粒子之间相互作用的理论也开始逐渐完善。直到20世纪60年代后期,物理学家终于建立起了描述所有已知基本粒子的理论框架——标准模型(standard model)。到了2012年,欧洲核子研究中心(CERN)通过粒子对撞实验发现了希格斯玻色子(Higgs boson),标志着这个模型的正式完成。费米于1954年11月28日因为肝癌去世,当时他应该已经看到了解决基本粒子难题的希望。
当时费米还认为天体物理学将有极大的发展,这个判断完全正确。随着各种天文望远镜的出现,人类对宇宙的认识不断加深。从发现宇宙膨胀到发现宇宙在加速膨胀,宇宙起源、星系演化、暗物质、暗能量等宇宙学难题已经成为现代物理学研究最为热门的话题。在导师的劝说下,从1950年1月开始,李政道加入了叶凯士天文台,跟随当时40岁的钱德拉塞卡进行天体物理学研究。到了6月李政道与秦惠䇹结婚,两人的第一个住处就在天文台所在的威斯康星州威廉姆斯湾。
李政道夫妇并未在叶凯士天文台逗留太久。到了1950年8月,李政道便接受了加州大学伯克利分校的吉安·维克(Gian Wick)教授的邀请,打算去加州进行博士后研究。在叶凯士天文台的8个月时间里,李政道发表了两篇论文。一篇是延续他的博士论文课题,讨论白矮星的问题;另一篇则是受钱德拉塞卡的影响,讨论在物理学界出名的难题——湍流问题。
接到维克邀请的李政道与夫人一起赶往美国西海岸,这也正是四年前李政道首次登陆美国的地方。结果非常戏剧化的一幕发生了。到了伯克利后他才知道,原本邀请他进行博士后研究的维克教授已经先一步从学校辞职。在当时美国麦卡锡主义盛行的政治气氛下,作为美国州立大学的一所分校,伯克利要求教授们做出政治宣誓。而一心追求言论自由的维克教授宁愿辞职也不做此表态,转投位于匹兹堡的卡内基梅隆大学。
刚刚到达伯克利的李政道夫妇陷入到较为尴尬的境地。因为这样的变故,加州大学伯克利分校的物理系主任雷蒙·博奇(Raymond Birge)便使用系里的资金聘用李政道。虽然待遇不如之前维克教授的许诺,两人总算在伯克利安顿下来。秦惠䇹也进入离伯克利不远的斯坦福大学攻读社会学硕士。
李政道在加州继续关于湍流的研究,在1951年初便又发表了一篇关于流体力学的论文。随后他的另一篇论文则涉及流体力学和统计力学领域。虽然李政道在加州的研究工作比较顺利,但考虑到当时特殊的政治形势,整个美国的西海岸对待华人并不友好。地方法律规定,不在美国出生的华人不能拥有不动产,也就是说他们无法买房。即便是去租房,他们也常遇到不愿租给华人,或是遭到周围邻居反对的事情。在这样的环境下,尽管当时伯克利已经准备给李政道一个讲师职位,他仍然决定离开,加入普林斯顿高等研究院(Institute for Advanced Study)。
普林斯顿高等研究院成立于1930年,与著名的普林斯顿大学相邻,彼此各自独立。研究院由一对富商兄妹捐资修建。他们原本希望建设一家医疗结构,后来改成一个不授予学位、进行纯粹理论研究的机构。这样一所极其理想化的研究院,在建立之初便邀请了如阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)、库尔特·哥德尔(Kurt Gödel)、约翰·冯诺依曼(John von Neumann)这样的学术大师加入,自然称得上是崇高的学术殿堂。当然,在这样的机构里功成名就的老年人占大多数,学术气氛难免过于理论化。在一些年轻且有活力的研究者们眼中,研究院像是一个中世纪修道院。在李政道之前,杨振宁已经先一步于1949年9月加入了普林斯顿高等研究院,成为其数学研究所的访问成员。之前费米曾经劝告杨振宁,在那里停留不要超过一年,以免受到研究院过于注重理论的研究风气的影响。杨振宁最终在高等研究院生活了17年。在很大程度上,也是因为杨振宁本身就是一个数学功底极强、注重在宏观层面理论研究的物理学家。他的研究风格与高等研究院相当契合。
当时,卸任了“曼哈顿计划”领导者身份的物理学家罗伯特·奥本海默在高等研究院任院长。他与费米是好友。李政道加入高等研究院,离不开费米的推荐。另外李政道发表的关于湍流问题的论文也吸引了研究院教授冯诺依曼的关注。
在普林斯顿与杨振宁相聚之后,两人马上开始合作,在统计力学领域发表了两篇论文。让他们意外的是,这两位20多岁年轻人的工作居然吸引到了爱因斯坦的关注。爱因斯坦让自己的助理找到两人,问他们愿不愿意去他家里讨论。两人当然欣然前往。
当时爱因斯坦75岁,已经在普林斯顿生活了多年,可以说是那个时代几乎所有物理学家的偶像。他邀请李政道和杨振宁两个年轻人去家里讨论,自然会让两人铭记终生。不过,就算是对这样的事件,李政道和杨振宁两人事后的回忆也差别巨大。李政道回忆,他看到爱因斯坦的办公桌上摊开一本《物理评论》,旁边的稿纸上写满了计算,原来是他在对两人发表的两篇论文中的一些计算结果进行验算。爱因斯坦对统计力学非常感兴趣,但已经不理解当时这个领域中的一些新概念。针对这些问题,李政道都一一回答。他还记得爱因斯坦的英语带有很重的德语口音,但是并不难懂。他们谈了一个多小时。最后爱因斯坦站起来和两人握手说:“祝你们未来在物理学中取得成功。”
在杨振宁的回忆版本中,因为当时他过于紧张,提到的情节要模糊得多,“……爱因斯坦那时讲的英文夹了许多德国字。我不懂德文,而我去看他的时候又很紧张,所以我跟他谈完出来后,别人问我爱因斯坦跟我说了些什么,我竟讲不清楚”。在杨振宁的叙述中,没有提到李政道也参与了这次会面。
1953年秋天,李政道接受了哥伦比亚大学的教职,全家又从普林斯顿搬至纽约。他与杨振宁再次合作发表论文,要到1955年了。从1951年开始,李政道曾先后三次加入又离开普林斯顿高等研究院。这与他对物理学的广泛兴趣有关,也与他和杨振宁之间的关系有关。从1951年9月到1953年4月,李政道首次加入高等研究院,之后他加入纽约的哥伦比亚大学任助理教授。从1957年9月到1958年4月,他以哥伦比亚大学教授的身份在高等研究院兼职。最后一次是他在1960年9月重返普林斯顿,担任高等研究院终身院士,两年后他还是辞职重返哥伦比亚大学。
在第一次加入高等研究院期间,除了在普林斯顿进行研究,李政道还分别在1952年和1953年的两个暑假短期加入伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校,与著名的固态物理学家约翰·巴丁(John Bardeen)合作进行研究。巴丁教授是场效应三极管的发明人之一,也是历史上唯一一位曾经两次获得诺贝尔物理学奖的学者。李政道与巴丁合作,是想解开当时困扰物理学界的超导现象之谜。在厄巴纳-香槟分校的研究期间,李政道不仅与合作者共同发表了关于晶体研究的论文,也遇到了青年学者默里·盖尔曼(Murray Gell-Mann,1969年诺贝尔物理学奖得主)和弗朗西斯·劳(Francis Low)。当时两人正在研究一个用于量子电动力学的复杂方程组,难以求解。李政道在工作间隙帮助两人完成了方程组求解。后来盖尔曼和劳两人在论文中向李政道致谢。李政道的长子李中清在1952年7月17日出生于伊利诺伊州香槟镇。两口之家变为三口之家。在1953年接受了哥伦比亚大学的教职之后,李政道的研究兴趣开始由统计力学转到粒子物理学领域。大概一方面是因为李政道一直对粒子物理学充满兴趣,另一方面也是因为当时粒子物理学开始进入黄金时期,不断有粒子加速器建造成功,无论在实验还是在理论层面,粒子物理学家都开始快速取得突破。
在1954年,李政道发表论文《可重整化场论中某些特殊例证》(“Some Special Examples in Renormalizable Field Theory”),标志着“李模型”(Lee Model)的诞生。李模型是量子场论重整化理论中唯一具有精确解的模型,堪称李政道的代表作之一。李政道将这篇论文寄给了当时已经确诊肝癌晚期的导师费米。费米读到弟子的杰作,想必会感到非常欣慰。1954年11月28日,费米去世。对称性不仅具有美感,对于物理学研究来说还有格外重要的意义。诺特在1915年提出的“诺特定理”(Noether’s Theorem)指出,任何一种对称性都对应着一种守恒的物理量。这个定理对于物理学尤为重要。一旦可以由此发现某种守恒的新物理量,很可能就意味着做出了突破性成就。李政道和杨振宁在1952年合作发表关于统计力学的论文三年之后,于1955年再次合作,他们新的研究就与对称性有关。之后他们在1956年证明宇称不守恒的惊人之作,也是源于对对称性的讨论。
1955年初,杨振宁到纽约,在哥伦比亚大学见到李政道。两人从重子数守恒的话题谈起,决定再次合作完成一篇论文。在这篇论文中谈到了连续对称性,例如时间的对称性对应能量守恒,空间的对称性对应动量守恒,而旋转对称性对应角动量守恒。文中同样谈到了非连续对称性,例如电荷、重子数守恒等话题。
在物理学世界中,三个最基本的对称性分别是C(Charge,电荷守恒。正反粒子的对称性导致电荷守恒)、P(宇称守恒。空间反转的对称性导致宇称守恒)、T(时间反演守恒。时间流动的对称性导致时间反演守恒)。所谓CPT对称,就是说如果宇宙中忽然左右发生对换,粒子和其反粒子发生对换,时间流向忽然反转,那么整个宇宙的物理规则依然不变。当然,在真实世界中时间是有方向的,总是从过去流向未来。但在物理学世界中,如果时间反转,并不会影响这个世界的物理规则,这也就是所谓的时间反演对称。
对于大多数物理学家来说,CPT对称是物理世界最基本的原则。它们也都有坚实的理论基础。问题在于,当时困扰物理学家的一个难题,恰恰就涉及了宇称守恒问题,这就是著名的“τ-θ之谜”。早在20世纪40年代,物理学家们就在宇宙射线中观测到了“τ粒子”和“θ粒子”。这两种粒子都很不稳定,很快会发生衰变。到了50年代中期,几个大型质子加速器相继建成,物理学家们终于可以大量生产这两种粒子,从而对它们进行系统性的研究。
更精细的研究带给人们的是更深的迷惑。测量发现:这两种粒子虽然衰变的产物不一样,但其质量非常接近,差别只有2%左右;寿命也非常接近,大约都在一亿分之一秒。性质如此接近的两种粒子,会不会根本就是同一种粒子?很遗憾,这两种粒子的宇称恰好相反。根据宇称守恒定律,它们绝对不可能是一种粒子。但两种不同的粒子,各种性质又如此接近,物理学家见所未见,实在是难以理解。于是这便成了当时物理学界著名的“τ-θ之谜”。
李政道和杨振宁自然也被这个问题所吸引,并且尝试解开这个难题。他们首先在宇称守恒的框架内构造出一套理论,试图解决这个难题。根据这个思路完成的论文于1955年底寄出,在1956年4月发表。后来被证明其中的结论是错误的。
从1956年4月3日到7日,在纽约州罗切斯特大学召开了第六届高能核物理研讨会。会议的一个主要内容正是解决这些粒子的身份问题。李政道和杨振宁都受邀参加了这次会议。在当时他们都还没有足够的勇气去质疑宇称守恒。毕竟这个概念在大多数物理学家的心里实在是太过根深蒂固了。
生性风趣的物理学家理查德·费曼也参加了这次会议。他在自述《别闹了,费曼先生》一书中,提到了这次会议的情形。
在我参加的一个会议上,有人报告说,从回旋加速器生产出来的τ粒子和θ粒子,即使在不同角度测量或是粒子的能量不同时,它们的产量比例始终不变:总是多少个τ粒子对多少个θ粒子。
当然,其中一种可能性是:两者实际上是同一种粒子,只不过它有时蜕变为2个π粒子,有时蜕变为3个。但没有人会赞同这个想法的,因为物理学里有个定律叫“宇称规则”——那是建立在“所有的物理定律,其镜中影像都是对称的”的假定上。因此,任何东西要不就蜕变成2个π粒子,要不就蜕变成3个。
那时候,我还有点搞不清楚情况,我总是有点落后。其他人好像都一副很聪明的样子,我感觉我追不上。会议期间,我跟布洛克(Martin Block)住同一房间,他是个实验物理学家。一天晚上,他对我说:“你们干吗那么死守着宇称规则?也许τ粒子和θ粒子根本是一而二、二而一。假如宇称规则错了会怎样?”
我想了一下说:“这就等于说,宇宙定律会分为左旋(left hand)或右旋(right hand)两种,也可以用某些物理现象来定义右旋了。我也不觉得那会有多可怕,虽然那一定有些什么不良后果,我不知道。你为什么明天不问问那些专家?”
他说:“不,他们不会听我的,你来问。”
于是第二天开会时,当我们谈到τ-θ之谜时,奥本海默说:“我们应该听些新一点、怪一点的意见。”我便站起来说:“我是替布洛克问这个问题的:如果宇称规则错了,会有什么后果?”
之后葛尔曼经常笑我,说我当时没胆量用自己的名义问问题。但事实上那不是原因。真正的原因是,在当时我就感觉到那可能是个很重要的想法,谁提出这个问题,往后很可能会名留青史。
李政道站起来,回答了一些很复杂的东西,而按例我又是不太听得懂。会议快结束时,布洛克问我李政道说了些什么,我说不知道,但就我所知,这问题还没有答案——还是有可能发生的。我不认为可能性会很高,但我觉得那是有可能的。
拉姆西(Norman Ramsey)问我他应不应该做个实验,寻找宇称不守恒的例子。我说:“最佳回答是,我跟你赌50比1,你什么也找不到。”
他说:“那对我而言,机会已经够高了。”但他始终没有进行那个实验。”
以上费曼的记述说明,在当时已经有物理学家开始怀疑宇称不守恒,但还没有人有足够的勇气走出那一步。机会属于最有勇气,也是最幸运的科学家。
宇称有没有可能是不守恒的?李政道显然受到了某种触动,并且产生出灵感。在罗切斯特会议后,1956年5月的一天,李政道邀杨振宁来哥伦比亚大学讨论。杨振宁到达后,因为找不到停车位,两人便在车里一边开车一边讨论,之后又转到大学附近的“天津饭店”继续讨论。
李政道和杨振宁查阅了相关的论文和资料,发现尽管物理学家都认为宇称守恒是不可逾越的铁律,但可能恰恰因为大多数人认为这属于“不言自明”的道理,在弱相互作用领域,反而从来没有实验去验证宇称守恒。两个年轻人终于共同迈出了各自生命中最重要的一步,勇敢抛弃了在弱相互作用领域宇称守恒观念的束缚,开拓出了一个全新的境界。
宇称不守恒的大门终于要被打开了。后来李政道这样描述他和杨振宁在这个阶段的努力:“一个阴暗有雾的日子,有两个小孩在沙滩上玩耍,其中一个说:‘你看到远方那闪烁的光了吗?’另一个回答说:‘看到了,让我们走近一点。’两个孩子肩并肩向着光跑去。有的时候一个在前面,有的时候另一个在前面。他们竭尽全力,跑得越来越快。第一个到达神殿的孩子打开了门说,啊!就在这里。另一个随后冲了进去,被里面异常的美丽弄得眼花缭乱,大声地说:多么奇妙!多么灿烂!”
勇敢迈出第一步,开始怀疑宇称不守恒固然重要,更重要的是如何通过实验进行验证。在这方面,李政道和杨振宁需要一个出色的实验物理学家协助。吴健雄回忆李政道前往她在哥伦比亚大学物理系13楼的办公室找她商讨实验的情景,那是在1956年早春的一天,李政道向她解释了“τ-θ之谜”,并询问她可否通过β衰变实验来检测宇称守恒与否。
吴健雄本来对这个实验领域并不熟悉,但是出于一个出色物理学家的直觉,她认为这对于一个实验物理学家来说,将是一个绝佳的机会。面对这样的机遇,她立即开始行动,甚至取消了原定与丈夫袁家骝一同去欧洲和亚洲讲学的行程。
论文写作和实验两方面都在进行之中。1956年5月底,李政道和杨振宁合著的论文《弱相互作用宇称不守恒质疑》完成,于当年10月1日在《物理评论》杂志发表。实验方面的难度极大。经过仔细考虑,想要验证在弱相互作用中宇称不守恒,吴健雄决定在极低温度下测量被极化的金属钴60的β衰变。
当时哥伦比亚大学的实验室无法达到实验所需的接近绝对零度的低温,于是吴健雄选择去位于华盛顿的国家标准局的超低温实验室进行实验。想要完成一个全新的实验需要诸多准备,并且应付各种各样的意外情况。直到1956年12月中旬,实验才正式开始。到了1957年1月初,实验数据大致收集完毕,已经可以判定:(在弱相互作用中)宇称不守恒。报告这个实验结果的论文《β衰变中宇称守恒的实验检验》于1957年3月1日正式发表。
消息迅速传遍了整个物理学界。李政道、杨振宁和吴健雄这三位物理学家迅速成为学界最受关注的人物。荣誉的到来也比很多人预想的更快。1957年10月,李政道和杨振宁两人获得了作为物理学家的最高荣誉:诺贝尔奖。1957年12月10日,在瑞典斯德哥尔摩举办的诺贝尔奖授奖仪式上,李政道的发言非常谦逊。他说:“一个科学上的成就是许多在同一或者相关领域中的研究者积累的结果。没有过去的经验,没有现在的激励,就不会产生我们今天的观念和知识;没有将来的实验,我们今天的观念和知识也不能进化。虽然这许多因素构成了任何进步的整体,人们往往只记得最后光辉的收获而忘记了其中辛勤的耕耘。在今天隆重的典礼上,我格外感受到,有了许多伟大的物理学家,他们为人类对自然的了解做出了很大的贡献,但还没有像我们今天这样被授予如此的荣誉。”
对于一个物理学家来说,获得诺贝尔奖是荣誉的顶峰,却绝不是研究的顶峰。获奖后,李政道和杨振宁立刻成为世界名人,被邀请去世界各地演讲。但他并未被荣誉冲昏了头脑。李中清回忆说,父亲领奖归来之后,母亲立刻把诺贝尔奖章和证书收了起来,从未在家中悬挂展示。
从李政道1951年9月加入普林斯顿高等研究院开始,他与杨振宁有着长达十多年的紧密合作。可以说,像他们这样年龄相仿、智力水平相当、学术领域相近,又各有所长的学术搭档在物理学史上是极其少见的。两人共同署名,在学术期刊上正式发表了23篇论文。
李政道和杨振宁两人最富创造力、学术成果最丰富的时期,正是他们在一起紧密合作的时期。这也让两人随后的决裂充满了悲剧色彩。关于两人决裂的原因,多年来各种说法纷繁复杂,各有其支持者。对于同一事件,两人的回忆往往也并不一致。从论文作者名字的先后顺序,一直到接受诺奖时两人的出场顺序之争执,种种说法莫衷一是。究其最深层的原因,可能还是因为两人的性格不同导致。
此前,我们曾经同样以封面报道的形式讲述另外一位天才物理学家杨振宁。在我们的两次采访中,大多数见证了李杨决裂的朋友和同学都不愿意旧事重提。既然如此,我们一方面希望能够让读者尽量了解这个事件在双方眼中的样貌,另一方面也希望这场已经持续了超过半个世纪,注定不会有明确结果的争执就此沉寂。
李中清在接受采访时提到,父亲李政道从未向家人提过他与杨振宁决裂的细节。只不过他还记得,当初两家在普林斯顿住得很近,在两家的房子后面有一条消防通道相连,两家孩子经常通过这条通道去对方家中玩耍。忽然有一天,这条通道被堵住了。母亲告诉他,以后不能再去杨家玩耍。
李中清还提到,年近百岁的李政道身体逐渐衰弱,近年来在家中极少会见外人。不过当他偶然听到有人提起杨振宁的名字,他往往会稍微沉默一下,然后说一句:“那是个非常出色的物理学家。”
关于自然界中的对称和不对称之美,李政道有过非常精彩的描述:“对称生成宇宙之美,不对称生成宇宙之实。描述自然界的理论和方程大多是对称的,而自然界的现实存在却是不对称的。”“对称的世界是美妙的,而世界的丰富多彩又常常在于它不那么对称。有时,对称性的某种破坏,哪怕是微小的破坏,也会带来某种美妙的结果。”对称与不对称,蕴含着自然界最深的奥秘和美感。作为一个物理学家,李政道能够发现自然界在对称之中所隐含的不对称,是每一个物理学家所向往的科学境界。对于普通人来说,这样的境界当然难以企及,我们却可以通过回顾李政道作为一个天才物理学家的成长之路,来感受其中令人震撼的力量和美感。
(参考书目:赵天池《天语物道:李政道评传》;李政道《对称与不对称》;《李政道教授九十华诞文集》;季承《李政道传》;吴大猷《回忆》;季玟希《中国近代留学发展历程与动力探究》,《现代教育科学》,2019年第3期;理查德·费曼《别闹了,费曼先生!》) 物理李政道