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理论物理学家派斯:我认识的李政道与杨振宁

瑞典科学院如此迅速地将诺贝尔奖颁发给弱相互作用中宇称不守恒的发现者,充分表达了委员们对这一发现的重要性有一致的共识。所有认识这两位年轻的诺贝尔奖获得者的人,为他们的人格魅力所倾倒的程度,丝毫不亚于他们的多才多艺和深刻的思维给人们留下的印象。下面的文章,将会给读者描绘一幅他们的思维图像,勾画出他们辉煌的历程,正如照片中显示的鲜明特点——沐浴着诺贝尔奖光环时欢欣的微笑。编辑非常感谢杨振宁过去的朋友 A. 派斯,他应邀迅速写出了这篇文章(出版于 1958 年)。同时我们应当记得,正是由于派斯对基本粒子不变性的分析,这一开拓性的努力才给了李和杨最初的原始推动力,进而使他们的理论发展到极致。

 

——L. 罗森菲尔德(Nuclear Physics编辑)
一位杰出的物理学家对我谈起了失误的规律:“常有这样的事,数学家认为我在做实验观测,而实验物理学家认为那是数学定理,例如能量守恒原理就在很长时间里被这样对待;而现在,大家都知道它是一个实验事实。”

——H. 彭加勒

 

撰文 | 阿伯拉罕·派斯(Abraham Pais,荷兰理论物理学家和科学史家)

翻译 | 肖雪、肖润喜

来源 | 《科学文化评论》 第7卷  第6期(2010):  95-101

 

比较恰当地说,两年前几乎所有理论物理学家都认为,空间反演不变性的普适性已经严格地被实验证实;也可以这样讲,当时几乎没有物理学家考虑设计一个能挑战宇称守恒普适性的实验。我们还可以恰当地说,迄今为止李和杨对物理学所作的主要贡献——宇称守恒,在两年前的物理学领域从来未被实验检验过,两年前实验虽多(有β衰变、π衰变、μ衰变),但还不足以说明它们检验了这个定律;他们两人指出,这一系列实验必须在讨论了它们的实验条件以后才能作出判断和得出结论。

 

这些研究的原始动力源于 K 介子神秘的性质。第六届罗切斯特会议(1956 年 4 月)的代表们已经感到并表达了他们对宇称守恒普适性的怀疑:从实验发现的角度,θ介子和τ介子的质量几乎相等,更为重要的是,他们的寿命也相同。无论这个θ–τ粒子之谜的答案是什么,很明显,正如奥本海默当时所说:“τ 介子内部或外部都十分复杂”。事实上,在从罗切斯特回纽约的火车上,杨教授和本文作者与约翰·惠勒教授打了一美元的赌:θ介子与τ介子是根本不同的两种粒子。惠勒教授赢了这两美元。

 

李教授和杨教授面临着挑战。会后不久,他们立刻对涉及空间反演不变性与电荷共轭不变性的实验进行了系统的检查。他们的结论是:迄今为止还没有一组实验能够证实弱相互作用中的这种不变性。上面提及的三种形式的衰变,还有 K 粒子及超子衰变都属于弱相互作用。因此,他们又把精力集中在这一类现象上,而不再只是集中在一种令人兴奋却孤立的谜团之上。很快,他们与欧米(Oehme)进行了理论研究,研究时间反演不变性问题,及利用 CPT 定理探索 C-P 冲突与 T不变性之间可能的违背。后来,令人兴奋的消息传来,无论在β衰变、π衰变、或是μ衰变中,都不出现 P -不变性以及 C -不变性。我们应该记住吴健雄及其合作者,是她们的 Co60 实验为这一理论提供了第一个证据。最近,已经确定了在Λ0 衰变中宇称也是不守恒的。因此,仅通过简单的理论演算,θ-τ 之谜可以被认为是已经解决了。1957 年 1 月 16 日,《纽约时报》用头版报道了这一事件,其标题为:“物理学中的基本概念正面临检验——核理论中的宇称守恒受到来自哥伦比亚大学和普林斯顿高等研究院的科学家的挑战。”

 

这样,李和杨的建议导致了我们物理学理论根本结构的巨大思想解放,原来的原理再一次被证明是偏见。引文中彭加勒的这段话(摘自他的《热力学》序言),可以提醒在类似奋斗过程中的后人。
 

杨振宁(朋友们都叫他弗兰克)1922 年生于中国安徽省的合肥市,在家五个孩子中排行老大。父亲杨武之,当时中国最好的大学之一昆明西南联大数学教授(1928 年芝加哥大学物理博士),后来任上海复旦大学数学教授。弗兰克和他的家庭不得不和当时他的国家一样忍受着外族的蹂躏(1937 - 1945)。“1940 年我家在昆明租住的房子遭受日本飞机的轰炸……但幸好家中无人伤亡……,全家人都幸存下来,他们虽然很瘦,很瘦,但都健康。”
 

弗兰克在西南联大开始了他的大学生涯。后来他进入了在同一城市的清华大学,于 1944 年获科学硕士学位。

 

李政道(朋友称之为 T. D.)1926 年生于中国上海,在家六个孩子中排行第三,他的父亲,李俊康,是一位农业学家。像杨振宁一样,李政道也是在西南联大开始他的大学生涯。他们俩第一次见面是在 1945 年,当时李是在校大学生,而杨是昆明的一个中学老师,杨有个学生叫杜致礼,即后来的杨夫人。
 

1945 年 8 月,杨离开昆明赶赴美国,“当时由于中国与美国间没有商船交通,我不得不在加尔各答等几个月,才买到了一张军用交通船的船票,并于 11 月底到达纽约,在圣诞节期间到达芝加哥。1946 年 1 月以研究生身份入学芝加哥大学学习”。在芝加哥大学,费米的工作和工作作风对他终生都有影响。

 

1946 年,李政道也到了芝加哥。他们的友谊正是在那里才开始。杨在泰勒教授指导下,于 1948 年获得博士学位,论文是关于核反应的角形分布。李政道于 1950 年在费米教授指导下获得博士学位,论文是白矮星的氢含量。他的早期论文都是讨论天体物理学问题与扰动理论。杨振宁获得博士学位不久,进入普林斯顿高等研究院,开始是临时研究员,1956 年被聘为全职教授;李政道于 1950 年到加州大学伯克利分校当讲师,在那里他遇见了秦小姐,即后来的李夫人。

 

1951 年秋,李也到了高等研究院,开始为期两年的工作。自那时起,李与杨开始了他们之间亲密而稳定的合作。他们和罗森布鲁斯合作的第一篇联名论文,讨论的恰好也与弱相互作用有关。李于 1953 年去了哥伦比亚大学,并在 1956 年被聘为全职教授。
在与其他人的合作中,李政道还从事过如下方面的工作:通过变分法,研究 π核子散射和多重介子产生;对极化子的基态和有效质量的相关研究等。他尤其感兴趣的是关于场论严格解的重整化模型,这种模型,在某种程度上讲不如电动力学那样具有丰富的物理学特征,但这个模型也不是没有任何价值。它可使我们无须使用幂级数展开的方法就能简洁地处理重整问题,从而直接给处理非重整与重整耦合常数间的关系带来了一种全新的视野。而该模型有趣而富有灵性的结论还有待进一步研究。
在杨的论文中我们早已发现,他具有这样一种获取物理信息的程式,即很大程度上他不依赖于某一个详细的动力学描述,却大量使用被研究问题所具有的不变性。他在 π0 介子的宇称研究和对费米场的反演性质的探讨过程中也有相同的研究风格。我们还提到他的一些不成功的研究——他把π介子当作核子的衍生物;以及在对场论的一次探讨中,他直接用运动方程处理各种场和源。1952 年,杨染上了想研究伊辛模型的“流行病”,但与其它“病人”不一样,他成功地计算出二维晶格的自发磁场。最后导致了相变的“杨-李理论”,杨在早些时候曾全身心投入过这一课题。最近,在与其他人的合作中,他们又获得了关于量子理论中多体问题的一些新的结论,其中有些将为超流体理论提供更为严密的数学基础。
杨和李的许多关于基本粒子的论文都含有推测的成分,例如他们对重费米子守恒定律的建议,或对宇称共轭的建议。但他们都同样建议用实验来检验他们的推测,虽然他们有时失误,却错得十分有品位,而且他们还有勇气再试一次。他们近期的工作是关于中微子理论的两分量的构想——沙兰姆和朗道对此课题独立地作过研究,也曾分别作出过贡献。李和杨的近期工作还涉及轻子守恒的概念。在写β衰变的实验论文时,以及经历去年夏天的一片混乱之后,情况仍然不清楚,还不足以对这些新奇的观点的合理性作出判断。最近,他们还一直从分析超子衰变中获取信息。
李政道和杨振宁的工作具有其独特的品位和独创性,反映出他们对物理学的敏锐洞察力和对形式的深刻感知力。他们的建议总是被理论物理学家和实验物理学家探索求证。就这点而言,他们很有点像后期的费米。朋友们也期待他们在以后的岁月里获得更多愉快,更多创造。

 

补充

由于上文是写于 40 年前(编注:本文发表于2000年),因此,请允许我增加一些对他们近年工作的评论。首先,我要说明李家和杨家都有很聪慧的孩子,李家两个,杨家有三个;第二,李政道于 1960 年被聘为普林斯顿高等研究院教授。
 

我对他们后期工作的评论,从手头的杨和李论文选集中获得了极大的帮助,也得益于编者对他们工作的评论。

 

后期联名发表的论文
 

(a)在 1957 - 1960 年期间,李和杨撰写了许多富有创造性的论文,这些论文可以分为两类:

       1)通过赝势法——利用一系列选择性求和以消除发散,他们获得了稀薄的硬球体玻色子气体的性质,如能级、超流性、相变和其它特征。

       2)关于量子统计力学中的多体问题的系列论文。在这些论文中,他们用动量空间中的平均占有数,以及应用于硬球体玻色气体和费米气体,得到了巨配分函数。
(b)高能中微子物理。1960 年,高能中微子和反中微子与核子和原子核间的相互作用,为弱相互作用提供了新的信息。这些建议促使李和杨对诸如此类的实验的理论含义进行了一系列研究,包括“可能存在带电玻色子弱耦合,w是弱相互作用的传导者等等。这些工作的结果对 W 机制,以及不产生w的中微子反应,可以作逻辑和唯象的分析。
(c)对强相互作用中更大对称群的推测。
(d)对带电 W 玻色子的量子场论的重整化问题的研究。这一篇论文发表于1962 年 5 月,是杨和李联名发表的最后一篇论文。

 

断交


李和杨间的个人关系及专业联系结束于 1962 年 6 月。他们间的裂痕到了不可调和的程度。我听到这个消息后就去见了杨,告诉他发生的事令我多么伤心,我还是会把他当作朋友,我还告诉他我将去李那里,也会讲同样的话;接下来我去了李那里,做了同样的事,还告诉他我跟杨也讲了完全相同的话。
我同他们俩的关系依然亲密无间。
随着时间的流逝,我对那年 6 月所发生的事了解的更多。但我认为那是私人信息,个人隐私应该受到保护。就我个人而言,要弄懂这个问题,我发现我目前所掌握的关于中国和中国人文习俗的知识还不够。当然,我可以参考杨和李他们自己对此事的评论。
1962 年年末,李政道返回哥伦比亚大学,就任费米教授,1984 年后就任大学教授。1966 年杨离开普林斯顿高等研究院,赴任纽约州立大学石溪分校就任为他特设的爱因斯坦教授和理论物理研究所主任。
两人自此以后虽没有往来,但各自研究成果依然丰富。我将对他们的后期工作中的主要成果作一简单描述,更详细的情况请参阅他们的论文选集 9。

 

杨的后期工作


在我写的杨早期出版物的摘要中,有一项被遗漏了,这实际上也是他最重要的贡献:他同罗伯特·米尔斯(Robert Mills)合作的关于非阿贝尔规范理论的论文。在这本书的其它部分,我已经解释了这项工作起初何以遭到那么多同行(也包括我)的怀疑:非阿贝尔规范玻色子(现在称为w)具有令人绝对无法接受的零质量。在 1958 年,我写颂词赞美了杨和李的研究工作,因此我认为没有必要再次提及杨-米尔斯理论。直到 1970 年左右“自发破缺规范对称性”的出现,这个令人头疼的问题才得以解决。自那时起,杨-米尔斯的工作才被确认为本世纪对物理理论最重大的贡献。
杨认识到自己工作的重大意义也花了不少时间。当他在 90 年代被问及他本人在 1954 年是否明白这些论文的巨大意义时,他回答道:“没有。在 50 年代,我只感觉到我们的工作成果很美,到 60 年代我才认识到它的重要性,到 70 年代才认识到它在物理学中的巨大意义。它与数学深层的联系,直到 1974 年后期我才逐渐明白。”
现在回到杨的后期工作,从 1955 年到 1967 年他没有发表规范场方面的论文,1967 年他又回到这一课题上来。这次他发表了一篇论文,在文中他把讨论扩展至包括电荷量子化和磁通量子化的讨论上。此时,他已开始对规范场的几何意义感兴趣,1972 年他写道:“在数学方面,规范场的概念显然与纤维丛有关。但我的确不懂纤维丛是什么。”此时他向一个数学家同行寻求帮助,并因此导致了他与吴大峻联名发表了优秀的、富有启发意义的论文,它是关于不可积相因子与规范场论全局拓扑的联系。这篇论文中有一个翻译规范场术语和纤维丛术语的词汇表,这表明他已完全掌握了纤维丛理论,可见他的苦心经营与巨大努力。自那时起,现代数学家对现代物理学家擅长的领域更感兴趣,并积极地投身其中。
60 年代,杨回到另一个他感兴趣的领域——统计物理学。他发表了非完全玻色气体、超导系统中的磁通量子化和液氦中长程序方面的论文。与他弟弟杨振平合作,撰写了液-气变换中的临界点的论文,并解决了自旋-自旋(spin-spin)相互作用的一维链问题;杨振平现任俄亥俄州立大学名誉教授。在这一类论文中最为著名的是杨-巴克斯特方程,该方程首次出现于杨在 1967-1968 年的论文中。后来, R. 巴克斯特在研究另一类问题的一篇文章中,发表了相似的方程。现在我们知道,杨-巴方程在物理学和数学中用途都极为广泛,它是一种基本的数学结构。
论文的第三种类型是处理高能现象中的各种课题。其中我尤其喜欢他与特莱曼(S. B. Treiman)对单个介子交换模型的测试;与吴大峻一起对 CP 破坏效应的分析;对唯象学课题也写过一些论文。

 

李后期的工作

 

李在随后几年中也著作颇丰,我仅对最精彩的几篇加以介绍。
对 W 玻色子性质作进一步深入的研究;对具有零静止质量粒子的散度分析;CP 违背的模型为消除量子场论中的无穷大,李与威克 (G. C. Wick) 一道分析了在希尔伯特空间中的一种不确定度量的结果。他们还继续合作研究零自旋场论中真空状态的稳定性问题。
1975 年,李开始对孤立子问题作系列研究,并将结果应用于强子模型。它们可以再次产生强子的袋模型。在 1986-1992 年间,这项工作出现了新的转机,这要归功于李把非拓扑孤立子场应用于星际物体这一创造性思想。这也为宇宙学模型的研究带来了新的选择。
与此同时,在 80 年代早期,李及其合作者开始研究晶格场论,其中也包含引力效应。受到李的鼓励和在诺曼·克里斯蒂(Norman Christ)出色的领导下,为了在量子电动力学的框架内将场论计算应用于晶格这一任务,哥伦比亚大学物理系研制出一系列精致的电脑。这项工作导致李提出:空间和时间可能真的是分离的量。
自从高温超导被发现以来,李和他的合作者一直致力于解释其产生机制。
李强烈倡导使用相对重的离子碰撞,以检验真空相变的存在(真空工程)。这些建议导致了在布鲁克海文国家实验室建造 RHIC 加速器。1997 年,李就任布鲁克海文理论小组主任之职(同时保留与哥伦比亚的关系),该项目由日本基金资助。
收藏中国艺术品是李的主要的非科学兴趣之一,他也应邀对科学与艺术间的关系发表过演讲。
 

李政道和杨振宁两人都以各自的方式,努力促成中国与美国更好的理解与交流,向中国政府提出基础科研的重要性和两国互派学者的重要性。我特别指出,由李组织的一个项目(编注:CUSPEA)使得有近 1000 位中国学生得以在美国攻读研究生。
 

1988 年 5 月 19 日,我 70 岁生日,朋友们为我举办了一场学术会议,5 月 13 日在洛克菲勒大学举行。所有的发言人和来宾均是我的私人朋友,全美最优秀的物理学家几乎都来了,当看到李和杨同时出现在这份来宾名单中时,我深为感动。


 

本文由《科学文化评论》译自阿伯拉罕·派斯(Abraham Pais,1918-2002)的著作:The Genius of Science: A portrait gallery of twentieth-century physicists. Oxford University Press, 2000. pp.172 - 183。

 



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