理論物理學家派斯：我認識的李政道與楊振寧

瑞典科學院如此迅速地將諾貝爾獎頒發給弱相互作用中宇稱不守恆的發現者，充分表達了委員們對這一發現的重要性有一致的共識。所有認識這兩位年輕的諾貝爾獎獲得者的人，爲他們的人格魅力所傾倒的程度，絲毫不亞於他們的多才多藝和深刻的思維給人們留下的印象。下面的文章，將會給讀者描繪一幅他們的思維圖像，勾畫出他們輝煌的歷程，正如照片中顯示的鮮明特點——沐浴着諾貝爾獎光環時歡欣的微笑。編輯非常感謝楊振寧過去的朋友 A. 派斯，他應邀迅速寫出了這篇文章（出版於 1958 年）。同時我們應當記得，正是由於派斯對基本粒子不變性的分析，這一開拓性的努力纔給了李和楊最初的原始推動力，進而使他們的理論發展到極致。

——L. 羅森菲爾德（Nuclear Physics編輯）

一位傑出的物理學家對我談起了失誤的規律：“常有這樣的事，數學家認爲我在做實驗觀測，而實驗物理學家認爲那是數學定理，例如能量守恆原理就在很長時間裡被這樣對待；而現在，大家都知道它是一個實驗事實。”

——H. 彭加勒

撰文 | 阿伯拉罕·派斯（Abraham Pais，荷蘭理論物理學家和科學史家）

翻譯 | 肖雪、肖潤喜

來源 |《科學文化評論》 第7卷 第6期（2010）: 95－101

比較恰當地說，兩年前幾乎所有理論物理學家都認爲，空間反演不變性的普適性已經嚴格地被實驗證實；也可以這樣講，當時幾乎沒有物理學家考慮設計一個能挑戰宇稱守恆普適性的實驗。我們還可以恰當地說，迄今爲止李和楊對物理學所作的主要貢獻——宇稱不守恆，在兩年前的物理學領域從來未被實驗檢驗過，兩年前實驗雖多（有β衰變、π衰變、μ衰變），但還不足以說明它們檢驗了這個定律；他們兩人指出，這一系列實驗必須在討論了它們的實驗條件以後才能作出判斷和得出結論。

這些研究的原始動力源於 K 介子神秘的性質。第六屆羅切斯特會議（1956 年 4 月）的代表們已經感到並表達了他們對宇稱守恆普適性的懷疑：從實驗發現的角度，θ介子和τ介子的質量幾乎相等，更爲重要的是，他們的壽命也相同。無論這個θ–τ粒子之謎的答案是什麼，很明顯，正如奧本海默當時所說：“τ 介子內部或外部都十分複雜”。事實上，在從羅切斯特回紐約的火車上，楊教授和本文作者與約翰·惠勒教授打了一美元的賭：θ介子與τ介子是根本不同的兩種粒子。惠勒教授贏了這兩美元。

李教授和楊教授面臨着挑戰。會後不久，他們立刻對涉及空間反演不變性與電荷共軛不變性的實驗進行了系統的檢查。他們的結論是：迄今爲止還沒有一組實驗能夠證實弱相互作用中的這種不變性。上面提及的三種形式的衰變，還有 K 粒子及超子衰變都屬於弱相互作用。因此，他們又把精力集中在這一類現象上，而不再只是集中在一種令人興奮卻孤立的謎團之上。很快，他們與歐米（Oehme）進行了理論研究，研究時間反演不變性問題，及利用 CPT 定理探索 C-P 衝突與 T不變性之間可能的違背。後來，令人興奮的消息傳來，無論在β衰變、π衰變、或是μ衰變中，都不出現 P －不變性以及 C －不變性。我們應該記住

這樣，李和楊的建議導致了我們物理學理論根本結構的巨大思想解放，原來的原理再一次被證明是偏見。引文中彭加勒的這段話（摘自他的《熱力學》序言），可以提醒在類似奮鬥過程中的後人。

楊振寧（朋友們都叫他弗蘭克）1922 年生於中國安徽省的合肥市，在家五個孩子中排行老大。父親楊武之，當時中國最好的大學之一昆明西南聯大數學教授（1928 年芝加哥大學數學博士），後來任上海復旦大學數學教授。弗蘭克和他的家庭不得不和當時他的國家一樣忍受着外族的蹂躪（1937 － 1945）。“1940 年我家在昆明租住的房子遭受日本飛機的轟炸……但幸好家中無人傷亡……，全家人都倖存下來，他們雖然很瘦，很瘦，但都健康。”

弗蘭克在西南聯大開始了他的大學生涯。後來他進入了在同一城市的清華大學，於 1944 年獲科學碩士學位。

李政道（朋友稱之爲 T. D.）1926 年生於中國上海，在家六個孩子中排行第三，他的父親，李俊康，是一位農業學家。像楊振寧一樣，李政道也是在西南聯大開始他的大學生涯。他們倆第一次見面是在 1945 年，當時李是在校大學生，而楊是昆明的一箇中學老師，楊有個學生叫杜致禮，即後來的楊夫人。

1945 年 8 月，楊離開昆明趕赴美國，“當時由於中國與美國間沒有商船交通，我不得不在加爾各答等幾個月，纔買到了一張軍用交通船的船票，並於 11 月底到達紐約，在聖誕節期間到達芝加哥。1946 年 1 月以研究生身份入學芝加哥大學學習”。在芝加哥大學，費米的工作和工作作風對他終生都有影響。

1946 年，李政道也到了芝加哥。他們的友誼正是在那裡纔開始。楊在泰勒教授指導下，於 1948 年獲得博士學位，論文是關於核反應的角形分佈。李政道於 1950 年在費米教授指導下獲得博士學位，論文是白矮星的氫含量。他的早期論文都是討論天體物理學問題與擾動理論。楊振寧獲得博士學位不久，進入普林斯頓高等研究院，開始是臨時研究員，1956 年被聘爲全職教授；李政道於 1950 年到加州大學伯克利分校當講師，在那裡他遇見了秦小姐，即後來的李夫人。

1951 年秋，李也到了高等研究院，開始爲期兩年的工作。自那時起，李與楊開始了他們之間親密而穩定的合作。他們和羅森布魯斯合作的第一篇聯名論文，討論的恰好也與弱相互作用有關。李於 1953 年去了哥倫比亞大學，並在 1956 年被聘爲全職教授。

在與其他人的合作中，李政道還從事過如下方面的工作：通過變分法，研究 π核子散射和多重介子產生；對極化子的基態和有效質量的相關研究等。他尤其感興趣的是關於場論嚴格解的重整化模型，這種模型，在某種程度上講不如電動力學那樣具有豐富的物理學特徵，但這個模型也不是沒有任何價值。它可使我們無須使用冪級數展開的方法就能簡潔地處理重整問題，從而直接給處理非重整與重整耦合常數間的關係帶來了一種全新的視野。而該模型有趣而富有靈性的結論還有待進一步研究。

在楊的論文中我們早已發現，他具有這樣一種獲取物理信息的程式，即很大程度上他不依賴於某一個詳細的動力學描述，卻大量使用被研究問題所具有的不變性。他在 π0 介子的宇稱研究和對費米場的反演性質的探討過程中也有相同的研究風格。我們還提到他的一些不成功的研究——他把π介子當作核子的衍生物；以及在對場論的一次探討中，他直接用運動方程處理各種場和源。1952 年，楊染上了想研究伊辛模型的“流行病”，但與其它“病人”不一樣，他成功地計算出二維晶格的自發磁場。最後導致了相變的“楊－李理論”，楊在早些時候曾全身心投入過這一課題。最近，在與其他人的合作中，他們又獲得了關於量子理論中多體問題的一些新的結論，其中有些將爲超流體理論提供更爲嚴密的數學基礎。

楊和李的許多關於基本粒子的論文都含有推測的成分，例如他們對重費米子守恆定律的建議，或對宇稱共軛的建議。但他們都同樣建議用實驗來檢驗他們的推測，雖然他們有時失誤，卻錯得十分有品位，而且他們還有勇氣再試一次。他們近期的工作是關於中微子理論的兩分量的構想——沙蘭姆和朗道對此課題獨立地作過研究，也曾分別作出過貢獻。李和楊的近期工作還涉及輕子守恆的概念。在寫β衰變的實驗論文時，以及經歷去年夏天的一片混亂之後，情況仍然不清楚，還不足以對這些新奇的觀點的合理性作出判斷。最近，他們還一直從分析超子衰變中獲取信息。

李政道和楊振寧的工作具有其獨特的品位和獨創性，反映出他們對物理學的敏銳洞察力和對形式的深刻感知力。他們的建議總是被理論物理學家和實驗物理學家探索求證。就這點而言，他們很有點像後期的費米。朋友們也期待他們在以後的歲月裡獲得更多愉快，更多創造。

補充

由於上文是寫於 40 年前（編注：本文發表於2000年），因此，請允許我增加一些對他們近年工作的評論。首先，我要說明李家和楊家都有很聰慧的孩子，李家有兩個，楊家有三個；第二，李政道於 1960 年被聘爲普林斯頓高等研究院教授。

我對他們後期工作的評論，從手頭的楊和李論文選集中獲得了極大的幫助，也得益於編者對他們工作的評論。

後期聯名發表的論文

（a）在 1957 － 1960 年期間，李和楊撰寫了許多富有創造性的論文，這些論文可以分爲兩類：

1）通過贗勢法——利用一系列選擇性求和以消除發散，他們獲得了稀薄的硬球體玻色子氣體的性質，如能級、超流性、相變和其它特徵。

2）關於量子統計力學中的多體問題的系列論文。在這些論文中，他們用動量空間中的平均佔有數，以及應用於硬球體玻色氣體和費米氣體，得到了巨配分函數。

（c）對強相互作用中更大對稱羣的推測。

（d）對帶電 W 玻色子的量子場論的重整化問題的研究。這一篇論文發表於1962 年 5 月，是楊和李聯名發表的最後一篇論文。

斷交

李和楊之間的個人關係及專業聯繫結束於 1962 年 6 月。他們間的裂痕到了不可調和的程度。我聽到這個消息後就去見了楊，告訴他發生的事令我多麼傷心，我還是會把他當作朋友，我還告訴他我將去李那裡，也會講同樣的話；接下來我去了李那裡，做了同樣的事，還告訴他我跟楊也講了完全相同的話。

我同他們倆的關係依然親密無間。

隨着時間的流逝，我對那年 6 月所發生的事瞭解的更多。但我認爲那是私人信息，個人隱私應該受到保護。就我個人而言，要弄懂這個問題，我發現我目前所掌握的關於中國和中國人文習俗的知識還不夠。當然，我可以參考楊和李他們自己對此事的評論。

1962 年年末，李政道返回哥倫比亞大學，就任費米教授，1984 年後就任大學教授。1966 年楊離開普林斯頓高等研究院，赴任紐約州立大學石溪分校就任爲他特設的愛因斯坦教授和理論物理研究所主任。

兩人自此以後雖沒有往來，但各自研究成果依然豐富。我將對他們的後期工作中的主要成果作一簡單描述，更詳細的情況請參閱他們的論文選集 9。

楊的後期工作

在我寫的早期出版物的摘要中，有一項被遺漏了，這實際上也是他最重要的貢獻：他同羅伯特·米爾斯（Robert Mills）合作的關於非阿貝爾規範理論的論文。在這本書的其它部分，我已經解釋了這項工作起初何以遭到那麼多同行（也包括我）的懷疑：非阿貝爾規範玻色子

（現在稱爲

具有令人絕對無法接受的零售質量。在 1958 年，我寫頌詞讚美了楊和李的研究工作，因此我認爲沒有必要再次提及楊－米爾斯理論。直到 1970 年左右“自發破缺規範對稱性”的出現，這個令人頭疼的問題才得以解決。自那時起，楊－米爾斯的工作才被確認爲本世紀對物理理論最重大的貢獻。

楊認識到自己工作的重大意義也花了不少時間。當他在 90 年代被問及他本人在 1954 年是否明白這些論文的巨大意義時，他回答道：“沒有。在 50 年代，我只感覺到我們的工作成果很美好，到 60 年代我才認識到它的重要性，到 70 年代才認識到它在物理學中的巨大意義。它與數學深層的聯繫，直到 1974 年後期我才逐漸明白。”

現在回到楊的後期工作，從 1955 年到 1967 年他沒有發表規範場方面的論文，1967 年他又回到這一課題上來。這次他發表了一篇論文，在文中他把討論擴展至包括電荷量子化和磁通量子化的討論上。此時，他已開始對規範場的幾何意義感興趣，1972 年他寫道：“在數學方面，規範場的概念顯然與纖維叢有關。但我的確不懂纖維叢是什麼。”此時他向一個數學家同行尋求幫助，並因此導致了他與吳大峻聯名發表了優秀的、富有啓發意義的論文，它是關於不可積相因子與規範場論全局拓撲的聯繫。這篇論文中有一個翻譯規範場術語和纖維叢術語的詞彙表，這表明他已完全掌握了纖維叢理論，可見他的苦心經營與巨大努力。自那時起，現代數學家對現代物理學家擅長的領域更感興趣，並積極地投身其中。

60 年代，楊回到另一個他感興趣的領域——統計物理學。他發表了非完全玻色氣體、超導系統中的磁通量子化和液氦中長程序方面的論文。與他弟弟楊振平合作，撰寫了液－氣變換中的臨界點的論文，並解決了自旋－自旋（spin-spin）相互作用的一維鏈問題；楊振平現任俄亥俄州立大學名譽教授。在這一類論文中最爲著名的是楊－巴克斯特方程，該方程首次出現於楊在 1967-1968 年的論文中。後來， R. 巴克斯特在研究另一類問題的一篇文章中，發表了相似的方程。現在我們知道，楊－巴方程在物理學和數學中用途都極爲廣泛，它是一種基本的數學結構。

論文的第三種類型是處理高能現象中的各種課題。其中我尤其喜歡他與特萊曼（S. B. Treiman）對單個介子交換模型的測試；與吳大峻一起對 CP 破壞效應的分析；對唯象學課題也寫過一些論文。

李後期的工作

李在隨後幾年中也著作頗豐，我僅對最精彩的幾篇加以介紹。

對 W 玻色子性質作進一步深入的研究；對具有零靜止質量粒子的散度分析；CP 違背的模型爲消除量子場論中的無窮大，李與威克 (G. C. Wick) 一道分析了在希爾伯特空間中的一種不確定度量的結果。他們還繼續合作研究零自旋場論中真空狀態的穩定性問題。

1975 年，李開始對孤立子問題作系列研究，並將結果應用於強子模型。它們可以再次產生強子的袋模型。在 1986-1992 年間，這項工作出現了新的轉機，這要歸功於李把非拓撲孤立子場應用於星際物體這一創造性思想。這也爲宇宙學模型的研究帶來了新的選擇。

與此同時，在 80 年代早期，李及其合作者開始研究晶格場論，其中也包含引力效應。受到李的鼓勵和在諾曼·克里斯蒂（Norman Christ）出色的領導下，爲了在量子電動力學的框架內將場論計算應用於晶格這一任務，哥倫比亞大學物理系研製出一系列精緻的電腦。這項工作導致李提出：空間和時間可能真的是分離的量。

自從高溫超導被發現以來，李和他的合作者一直致力於解釋其產生機制。

李強烈倡導使用相對重的離子碰撞，以檢驗真空相變的存在（真空工程）。這些建議導致了在布魯克海文國家實驗室建造 RHIC 加速器。1997 年，李就任布魯克海文理論小組主任之職（同時保留與哥倫比亞的關係），該項目由日本基金資助。

收藏中國藝術品是李的主要的非科學興趣之一，他也應邀對科學與藝術間的關係發表過演講。

李政道和楊振寧兩人都以各自的方式，努力促成中國與美國更好的理解與交流，向中國政府提出基礎科研的重要性和兩國互派學者的重要性。我特別指出，由李組織的一個項目（編注：CUSPEA）使得有近 1000 位中國學生得以在美國攻讀研究生。

1988 年 5 月 19 日，我 70 歲生日，朋友們爲我舉辦了一場學術會議，5 月 13 日在洛克菲勒大學舉行。所有的發言人和來賓均是我的私人朋友，全美最優秀的物理學家幾乎都來了，當看到李和楊同時出現在這份來賓名單中時，我深爲感動。

本文由《科學文化評論》譯自阿伯拉罕·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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