李政道和他的科学正道

2019年11月，在CUSPEA（“中美联合培养物理类研究生计划”）40周年庆的聚会上，有CUSPEA学子提起李政道画的一棵大榕树。画上有李政道题的两行字，“千枝万根皆相连，遍野成林仅一树。”一些与会者觉得，李政道的这幅榕树画作，就是他与CUSPEA学子的写照。CUSPEA由李政道在1979年发起运作，持续十年，为915名中国优秀的物理学学生提供了留学深造的机会。在这些学生中产生了大批知名学者和企业家，包括十多位多国科学院院士。

在科学人才培养方面，CUSPEA只是李政道种下的许多榕树的其中一棵。回顾他求学和从事科研、教育工作的经历，我们就能明白这些榕树的养分来自哪里——他的老师、好友和学生们用“自力更生”、“独立思考”和“求是创新”来形容他，了解他的人总能感觉到他对探索科学和创新教育有不懈的动力。

他曾这样解释自己的动力，“‘细推科学日复日，疑难得解乐上乐。’一句话，就是真诚求知。”真诚求知，就是李政道在科学之路上坚持的“正道”。

当地时间2024年8月4日，华人物理学家、诺贝尔物理学奖获得者李政道在美国旧金山家中去世，享年97周岁。而他培育的“榕树”，还将继续生根发芽。

芝城求学

“不如下周你来给我上堂课吧。”面对自己的博士导师、诺贝尔物理学奖得主恩里科·费米，李政道爽快地答应了他的要求。

1946年，费米获得了美国芝加哥大学的教职，曼哈顿计划彻底结束后他一门心思扑在对撞机研究上，没有打算收理论方向的学生。实际上，费米的“开门弟子”都在做应用研究，只有李政道坚持表达了自己对理论研究的兴趣。费米当时并没有什么急于研究的理论课题，遂放手让李政道做自己想做的。

也是在1946年，当时的国民政府决定让华罗庚、吴大猷、曾昭抡三位数理化科学家，各带两位助手赴美学习造原子弹。吴大猷选择带朱光亚和李政道乘邮轮去美国，当时朱光亚已是科研助理，而李政道仅仅是一名大二学生。一如答应给费米上课，李政道对这个机会充满信心。根据《南方人物周刊》从哥伦比亚大学图书馆获得的本人口述资料，李政道觉得自己“不太懂英语，对经典物理很熟悉，懂一点量子力学，但是已经准备好进行博士研究了”。

除了芝加哥大学，其他美国大学无一接受尚未拿到本科学位的学生。李政道发现芝加哥大学对那些没有正式学位的学生提出的录取要求是读过校长挑选的西方文明名著——他连这些名著的名字都没听过。

那时的芝加哥大学物理系群星璀璨，除了费米之外，还有提出白矮星质量上限预测理论的苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡，提出原子核壳模型的玛丽亚·梅耶，宇宙射线和空间科学领域的先驱约翰·A·辛普森、发现了氘（重氢）的哈罗德·尤里、研究晶体结构的知名固体物理学家威廉·扎卡赖森、发明了齐纳二极管的克拉伦斯·齐纳，以及杨振宁的导师爱德华·泰勒，泰勒在氢弹研究中扮演了关键的角色。

费米、扎卡赖森和辛普森等教授为录取李政道做了很多努力。大部分有志于理论研究方向的学生通常会被推荐给泰勒，没有人也不会再有人知道，费米当年究竟是看中了这个大二学生的什么特质。李政道博士毕业四年后的1954年，时年53岁的费米去世，死因疑为长期暴露于放射性物质。

李政道入学做的第一件事就是阅读大学目录。他记得目录上说物理系只对顶尖的学生感兴趣，不鼓励学生选修其他课程；对于那些需要指导的学生才会提供课程。这与当时的西南联合大学及大部分世界顶尖大学的风格都截然不同。费米没有给李政道安排任何课程，李政道注册了泰勒的量子力学课和扎卡赖森的电磁理论课等等。在诸多“顶尖的学生”中，年轻而自信的李政道越来越感觉到自己并不优秀，甚至为此而羞耻。不过他发现其他同学跟自己一样也有这样的想法，他便放下心来，不再沉溺于自我怀疑中。

入学几周后，李政道收到了费米写的便条，邀请他参加特别晚间课程，这个课程仅限受邀者参加，这也是他第一次亲眼见到费米的教学方式。课程内容广泛，不局限于特定领域，几乎涵盖了物理学的所有主题。费米常会随机从文件夹里抽出一张卡片，卡片上写着一个主题和一个关键公式，基于这个主题，进一步分析和推导公式。李政道看着费米从零开始，做出精确估计，最终得出相关公式以及由此推导出的物理原理，以智识为飞船，在物理学的各个宇宙间自由穿梭。“一切真正伟大而振奋人心的事物，都是那些能够在自由中工作的人创造的。”李政道在费米身上，看见了爱因斯坦这句名言所描绘的样子。

费米与博士生们的关系各不相同。他每周会与几个学生一起在食堂吃午饭，再花一整个下午与李政道谈话，也就是听李政道讲课。应用研究之外，费米对宇宙辐射的起源和核合成很感兴趣，他先让李政道学习核物理，又让李研究天体物理学。费米对学生的引导方式与“上课抽卡”类似，提一个话题，问李政道是否可以阅读和思考这个话题，可以的话就在下周给他讲课。“我照做了，而且（每次讲完课）之后感觉都很好。后来我才意识到，这是引导学生独立思考的绝佳方式。”课余时间学生们常去费米家里参加小舞会，费米的妻子劳拉会准备好特调果汁饮品，与自己的丈夫和学生们载歌载舞。

在费米的栽培下，李政道理解了自力更生和思想独立的精神。一个人必须验证或推导出他使用的所有公式。李政道记得，有一次费米和他讨论太阳的内部结构，辐射传输的耦合微分方程相当复杂。“那不是我的研究课题，我不想花太多时间在繁琐的检查上。我只是引用了知名参考文献的结果。但费米认为，在没有独立确认的情况下，人们不应该接受别人的计算。”这件事给了李政道深刻的印象，第二次讨论时他汇报了自己处理辐射传递方程的独创性想法。

20世纪中叶是芝加哥大学最辉煌的时期，除了破格录取学生、自由的授课方式，还有一项在今天看来有些匪夷所思的博导制度要求：导师不能与其指导的博士生合作写论文。《南方人物周刊》从芝加哥大学图书馆获得的影印材料显示，1950年6月，李政道提交了总共17页的博士论文《白矮星的氢含量和能量生成机制》，扉页并未写明导师是谁；正文15页内容后来发表于期刊《天体物理学报》，费米也未在发表的作品上署名。论文讨论到冷却白矮星的临界质量，也就是钱德拉塞卡极限，并通过相关结果推导分析了白矮星的平衡状态和稳定性。

芝加哥大学的风格深深影响了曾在芝大求学的李政道这一代中外科学家。当时，物理系的另一位博士生约翰·古迪纳夫也与其导师齐纳见面，齐纳告诉他：“你只有两个问题要去探索——一个是发现问题，一个是解决问题。”多年以后古迪纳夫出任牛津大学无机化学系主任，大刀阔斧改革了院系的人才培养方案，改革背后无不是“芝加哥痕迹”。2018年，97岁的古迪纳夫成为获奖时年龄最大的诺贝尔化学奖得主。同样，李政道在科学教育上收获的全新认识，影响了他带学生的方式，也影响着此后新中国早期的科研体系建设。

李政道博士毕业之际，被钱德拉塞卡推荐给了普林斯顿高等研究院，他在推荐信中对李政道的博士论文大加赞赏，并表示：“在与李政道的交流中，我看到了他的能力和独创性，他对理论物理学有着非凡的天赋和好奇心。”

理论与实验

20世纪50年代前，物理学界普遍认为所有基本相互作用，包括电磁相互作用和弱相互作用，都遵循宇称守恒原则。这意味着物理系统应当是左右对称，通过镜像反射变换之后仍然表现得与原系统完全相同，比如在电磁相互作用中，镜像反射下麦克斯韦方程组保持不变。物理学的极简对称也符合物理学家们对物理学之美的理解。

20世纪30年代左右，科学家们发现β衰变中发射出的电子具有连续能谱，这与经典的量子力学预测不符，于是奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利提出存在中微子的假设来解释这一现象。β衰变是研究弱相互作用性质的重要实验现象。原子核内的中子转变为质子时，会同时发射出一个电子（β粒子）和一个反中微子。

1948年，李政道从芝加哥到纽约看望恩师吴大猷，吴大猷当时在哥伦比亚大学和诺贝尔物理学奖得主伊西多·拉比一起做实验，李政道第一次见到了正在做实验的吴健雄。

吴健雄正在打磨一样东西，好奇的李政道上前询问。吴健雄表示自己正在一步步纠正以前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：使用的晶体表面一定要光滑，不能有脏东西，其次电子要训练得特别好，不能离散。

在理论物理学家眼中，“训练电子”这个说法非常有趣。李政道后来回忆：“搞理论的人用薛定谔方程、狄拉克方程来理解和描述电子的状态和行为。真正做实验的人却是像对待猫、狗一样，细心爱护、训练电子。”

吴健雄的实验支持了费米的理论，显示中微子的存在及其带走的能量导致了β衰变中的能谱连续性。这一结果与科诺平斯基-乌伦贝克理论中电子和反中微子成对发射的假设不符。她将这一实验结果告诉了李政道，李当即接受，理由是“反正费米的理论一定是对的”。

20世纪50年代初，科学家们从宇宙射线中发现了两种新的介子：θ介子和τ介子。这两种介子的自旋、质量、寿命和电荷完全相同，许多人认为它们是同一种粒子。然而，它们表现出不同的衰变模式：θ介子衰变时产生两个π介子，而τ介子则衰变成三个π介子，也就是它们遵循不同的运动规律。

1956 年，李政道成为哥伦比亚大学建校200 年来最年轻的正教授，也是在这一年，物理学界对“宇称不守恒”的想法浮出水面。1956年10月，李政道和杨振宁合作论文《弱相互作用中的宇称守恒质疑》，完整论述了弱相互作用中的宇称不守恒定律。这份成果也为他们赢得了1957年的诺贝尔物理学奖，获奖时李政道30岁。遗憾的是，二人后因署名顺序以及想法的独创性等问题导致合作破裂，二人后来的回忆对许多细节各执一词。

综合多方叙述，值得肯定的是，李政道首先明确了奇异粒子宇称可能不守恒的判断及想法，杨振宁做了数学证明并推广至弱相互作用，1956年在哥伦比亚大学的暑假，两人完善了合作。最终打破物理学界的质疑以及对宇称守恒的执念的，是吴健雄的验证实验。

1956 年 4 月初，在罗切斯特国际高能物理大会上，杨振宁作为报告人讨论了θ-τ之谜，当场引发辩论。当时理查德·费曼向马丁·布洛克提出了一个问题：“会不会……宇称不守恒……自然界有能力唯一定义右手或左手？”费曼所说的这种对称就像人们的左手与右手一样，它描述的是一个物体与其镜像无法重合的性质，而这种性质不符合镜像反射的宇称守恒。当时杨振宁回答说，他和李政道讨论过这个问题，但没有得出结论。