次年轻的诺贝尔奖获奖者

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［摘要］举世闻名的诺贝尔奖是由瑞典化学家诺贝尔（1833―1896）捐资创建的，现由物理学奖、化学奖、生理学或医学奖、文学奖、和平奖和经济学奖（前5项1901年首次颁奖，后1项1969年首次颁奖）6个奖项组成，在其112年（1901―2012）的颁奖历史上，所有获奖者总计835人839人次（另有21个机构24次荣获诺贝尔和平奖），其中居里夫人（法国，1867―1934）、鲍林（美国，1901―1994）、巴丁（美国，1908―1991）和桑格（英国，1918―）4人先后两次获奖。本文详细介绍了李政道教授的学习经历和工作经历，简要评述了他的主要科研成就，并根据翔实的资料分析阐明：1957年诺贝尔物理学奖获奖者、理论物理学家李政道教授是所有诺贝尔奖获奖者中次年轻的获奖者（即除威廉・劳伦斯・布拉格以外，李政道是迄今诺贝尔奖历史上第二年轻的获奖者）。

［关键词］诺贝尔奖；诺贝尔物理学奖；威廉・劳伦斯・布拉格；李政道；杨振宁；吴健雄；弱相互作用；宇称不守恒定律

［中图分类号］G 316［文献标识码］A［文章编号］1005-6432（2013）2-0089-06

1理论物理学家李政道教授简介

李政道1926年11月24日出生于上海市（祖籍江苏省苏州市）一个中产阶级家庭［父亲李骏康是金陵大学（1952年并入南京大学）农业化学系首届毕业生，母亲张明璋毕业于上海启明女子中学，大哥李宏道毕业于上海沪江大学商科，二哥李崇道毕业于广西大学畜牧兽医学系，大弟李达道肄业于上海大同大学航空工程系，二弟李学道和小妹李雅芸均毕业于上海交通大学船舶系［1～2］］，曾就读于东吴大学（今苏州大学）附中和抗战时期浙江嘉兴秀州中学内迁江西组建的赣州联合中学，因战乱连小学和中学毕业的正式文凭都未取得，1943年夏在贵阳以同等学力考入国立浙江大学理学院物理系（当时浙江大学本部已从广西宜山县迁至贵州遵义老城，文学院、工学院及师范文科设在遵义，理学院、农学院及师范理科设在湄潭县，一年级新生在湄潭永兴镇上课）。在永兴镇上大学一年级［师从享有“中国雷达之父”美誉的理论物理学家束星北（1907―1983）教授］。1944年夏他因翻车事故受伤休学半年，同年11月日军侵入贵州，浙江大学停办，1945年年初他辗转进入昆明国立西南联合大学物理学系学习（师从物理学家吴大猷教授），1946年9月获政府经费资助和朱光亚（1924.12.25―2011.02.26）一起作为吴大猷教授［Wu Dayou，1907.09.29―2000.03.04，被誉为“中国（近代）物理学之父”］的随行研究生赴美。李政道以大二学历进入美国芝加哥大学深造（因无大学毕业文凭刚开始时是非正式生），1948年春通过芝加哥大学研究生院的博士研究生资格考试并被录取，1950年年初以“有特殊见解和成就”通过博士论文《白矮星内的氢含量（Hydrogen content of white dwarf stars）》的答辩（利用新的星体结构稳定性证明白矮星内的氢含量不大于1%，从而说明白矮星只能是恒星演化的终点。同时证明白矮星的能量并非是其内部核反应的结果，并首次正确地计算出简并物质的电导率。其博士生导师是1938年诺贝尔物理学奖获奖者、意大利物理学家费米），获芝加哥大学物理学哲学博士学位，被誉为“神童博士”。

李政道1950年在威斯康星州约克斯（Yerkes）天文台（创建于1897年，隶属于芝加哥大学天文学和天体物理学系）工作8个月，1950―1951年任加利福尼亚大学伯克利分校物理学系讲师和助理研究员；1951―1953年任职于普林斯顿高等研究院（Institute for Advanced Study，Princeton成立于1930年）；1953―1960年任哥伦比亚大学物理学助理教授（1953―1955年）、副教授（1955―1956年）和教授（1956年晋升为教授，创造哥伦比亚大学自1754年建校以来最年轻正教授的纪录）；1960―1963年任普林斯顿高等研究院理论物理学教授（其中1960―1962年任哥伦比亚大学兼职教授，1962―1963年任该大学访问教授）；1963年回到哥伦比亚大学续任教授，1964年起出任该大学第一任费米讲座物理学教授，同年当选为美国国家科学院院士，1984年起任哥伦比亚大学全校级教授（University Professor）这一最高荣誉教职，2011年年底正式退休。1994年6月8日当选为中国科学院首批外籍院士，1997年5月30日国际编号为3443号的小行星被命名为“李政道星（1979年9月26日由中国科学院南京紫金山天文台发现）”。1997年11月6日李政道捐赠私人储蓄30万美元，以已故夫人秦惠（1928―1996，芝加哥圣玛丽学院毕业）和他自己的名义创立“中国大学生见习进修基金（即政基金）”，资助北京大学、复旦大学、兰州大学、苏州大学和台湾新竹清华大学的本科生（其中至少应有一半女生）从事科研辅助工作。李政道夫妇1950年6月3日在芝加哥注册结婚，他们共育有二子：长子是美籍华裔历史学家和社会学家李中清（James Lee，1952―），次子是美籍华裔化学家李中汉（Stephen Lee，1956―）。李政道教授喜爱国学和艺术，业余时间爱好作画。中国内地的博士后制度始创于1985年，他是其首倡者和积极推动者。自1972年9月起他曾多次回国访问和讲学。

李政道教授的研究领域十分广泛，曾涉猎量子场论（量子力学和经典场论相结合而产生）、粒子物理学（又称高能物理学）、核物理学、统计物理学（又称统计力学）、流体力学、天体物理学和广义相对论等诸多方面，在理论结构和唯象分析方面多有建树，对近代物理学特别是粒子物理学的发展作出杰出贡献。他取得的主要科研成就有：①1949年与美国物理学家罗森布拉斯（Marshall Nicholas Rosenbluth，1927―2003）和杨振宁合作（李杨之间的合作主要因排名和署名先后问题出现争执和怨恨而于1962年5月起中断，自此两人彻底断交并决裂［3～4］）提出普适费米弱相互作用理论和中间玻色子（发现传递弱相互作用的中间矢量玻色子W±和Z0粒子是1984年诺贝尔物理学奖的获奖成果）的存在，将费米的β衰变理论推广到μ子（一种轻子），他们与其他人的贡献一起奠定了四种相互作用（强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用）的分类方法，沿用至今。②1951年通过将海森堡湍流模型与实验结果相结合，计算出各向同性湍流的涡流黏滞系数，证明二维空间中不存在湍流，湍流只能在三维空间中发生，这是流体力学和湍流学中的一条重要定理，也是天气预报预报飓风的一个重要理论基础。③1952年与杨振宁合作提出统计物理学中关于一级相变本质的两个定理以及有关巨配分函数之根的“李―杨单位圆定理”。首先给出了不同相（气相、液相、固相）中任一相的热力学函数的严格定义，证明热力学函数能区别不同的相，不同相的这些函数在有相变的情况下一般是彼此不能解析延拓的。将这个新产生的广义相变理论应用到点阵气体中，对后来关于稀有气体（旧称惰性气体）的实验帮助很大。④1952年与美国理论物理学家派尼斯（David Pines，1924―）合作对凝聚态物理学（由量子力学应用于固体物理学而产生）中极化子（polaron）构造作出基本性的理论分析，这直接影响到1957年BCS（Bardeen-Cooper-Schrieffer）超导电性微观理论（1972年诺贝尔物理学奖的获奖成果）的产生。⑤1953年给出场论中盖尔曼―劳（Gell-Mann―Low，美国理论物理学家盖尔曼是1969年诺贝尔物理学家获奖者）重整函数关系方程式的解，此解应用于后来的量子色动力学QCD（Quantum Chromodynamics）或杨─密尔斯规范场方程即可得到强相互作用中夸克禁闭（与夸克禁闭相关联的渐近自由是2004年诺贝尔物理学奖的获奖成果）的结论。⑥1954年提出量子场论中的李模型理论（此模型中的重整化可严格地被推导出来），这是场论中少有的可解模型，对后来的场论和重整化（可重整化的量子电动力学QED（Quantum Electrodynamics）是1965年诺贝尔物理学奖的获奖成果）研究有很大作用和影响。1962年与杨振宁合作研究了带电矢量介子电磁相互作用的不可重整化性。⑦1956年与杨振宁合作提出弱相互作用中的宇称不守恒定律。⑧1957年与美籍德裔理论物理学家奥赫梅（Reinhard Oehme，1928―2010）和杨振宁合作对电荷共轭和时间反演变换作出不守恒的分析，将宇称不守恒推广到电荷共轭和时间反演不守恒，并提出如何通过实验验证，奠定了中性K介子β衰变中C（charge conjugation，电荷共轭）、P（parity reversal，宇称即空间反演）、T（time reversal，时间反演）三种不守恒现象的基础，这与1964年CP不守恒的发现（1980年诺贝尔物理学奖的获奖成果）密切相关。⑨1957年与杨振宁合作《宇称不守恒和中微子二分量理论》，建议用德国数学家和物理学家韦尔（Claus Hugo Hermann Weyl，1885―1955）的1/2自旋粒子的二分量理论（即中微子是左手征的，反中微子是右手征的）来描述中微子，且很快被实验所证实，加速了人们对β衰变基本规律和弱相互作用本质的认识进程。发现第二种中微子――μ子型中微子是1988年诺贝尔物理学奖的获奖成果。⑩1957年与杨振宁合作提出二元碰撞法的一般公式，建立了量子统计物理学中多体问题通用的理论框架。1959年与杨振宁合作研究了量子玻色（印度物理学家，1894―1974）气体硬球系统的分子动理论（即分子运动论），证明通过对级数有选择的求和可消除量子玻色硬球系统的发散性。同时还分析了量子玻色硬球系统的低温特性，发现有相互作用的玻色系统可导致超流现象，对氦Ⅱ的超流性（1962年诺贝尔物理学奖的获奖成果）研究作出贡献。1959年与杨振宁合作分析了高能中微子的散射理论、计算高能中微子束所产生的W粒子的截面、讨论探测大气中中微子的方法等，确定了此后20余年有关方面的大量实验和理论工作的方向。1964年与美国物理学家诺伯格合作对零质量粒子所参与过程中红外发散可以全部抵消的问题作出进一步的分析，引入一套解决该问题的系统办法，其结论后被称为KLN（Kinoshita-Lee-Nauenberg）定理（即木下-李-诺伯格定理，它至今仍是强相互作用实验中不可缺少的定理，为分析夸克―胶子相互作用和用高能喷注（即强子簇射）去发现夸克（通过深度非弹性散射实验首先证明夸克的存在是1990年诺贝尔物理学奖的获奖成果）和胶子奠定了理论基础。1969―1971年与意大利物理学家威克（Gian Carlo Wick，1909―1992）合作提出一个解决量子场论中紫外发散问题的方法：在希尔伯特（David Hilbert，1862―1943）空间引入不定度规。20世纪60年代后期提出场代数理论，70年代初期研究CP自发破缺问题，就色禁闭现象提出真空的“色介常数”和“反常核态”概念。20世纪70年后期至80年代初期，在路径积分问题（即解薛定谔方程的新途径，量子力学的三种有效表达形式是薛定谔方程、狄拉克矩阵和费曼的路径积分，奥地利理论物理学家薛定谔和英国理论物理学家狄拉克共同荣获1933年诺贝尔物理学奖，美国理论物理学家费曼则是1965年诺贝尔物理学奖获奖者）方面作出过贡献。1974年与威克合作开始研究自发破缺的真空是否可能在一定条件下恢复破缺对称性，开创了相对论重离子碰撞RHIC（Relativistic Heavy Ion Collider）这一研究新领域。1976年与美国哥伦比亚大学物理学家弗里德伯格（Richard M. Friedberg）和希林（Alberto Sirlin，1930―）合作找到许多场论中的经典解及其量子化解，他称其为非拓扑孤子（soliton，孤子又称孤立子），1986年他用这些解首创强子结构的孤子袋模型理论（被认为是暗物质和类星体等的理论模型之一），孤子袋（又称孤子星）是非拓扑孤子和广义相对论结合的产物，具有经典意义。为了解决格点规范理论中的费米子谱倍增和平移、转动对称性破坏两大问题，1982年开始与他人合作研究随机格点规范理论，用随机格点规范的方法研究量子场论的非微扰效应，建立了离散时空上的离散力学基础。1983―1985年创造一组新的差分方程，并严格证明这组差分方程能产生所有物理方面（从经典物理到量子物理和广义相对论）应用的、连续性的守恒定律，建立了一套颇具革命性的物理新理论基础。［5］晚年其兴趣转向高温超导波色子特性、空间关联的库柏对、玻色―费米子超导模型（它结合了玻色―爱因斯坦凝聚态和BCS理论，其中玻色―爱因斯坦凝聚态是2001年诺贝尔物理学奖的获奖成果）、中微子映射矩阵、量子色动力学真空和夸克禁闭的关系等方面的研究。李政道教授帮助中国科学院高能物理研究所于1989年建成北京正负电子对撞机BEPC（The Beijing Electron Positron Collider），它主要由直线加速器、束流运输线、储存环、北京谱仪BES（Beijing Spectrometer）和北京同步辐射装置等组成。

李政道教授的主要专著有《场论与粒子物理学》（上册1980年，下册1982年，科学出版社）、《粒子物理和场论简引（Particle Physics and Introduction to Field Theory）》（Harwood Academic Publishers GmbH，1981）、《对称性、非对称性和粒子世界（Symmetries，Asymmetries，and the World of Particles）》（华盛顿大学出版社，1988年）、《科学与艺术》（上海科学技术出版社，2000）和《物理的挑战》（中国经济出版社，2002）等。

2李政道教授和杨振宁教授荣膺1957年诺贝尔物理学奖宇称P（parity）是内禀宇称（又称本征宇称）的简称，它是表征微观粒子运动特性的一个物理量，表达了微观世界中的镜对称原理。微观粒子（或其体系）的运动状态由波函数来描述：当空间坐标反演时，若波函数保持不变，则称该粒子的运动状态具有偶宇称（即其宇称为正）；若波函数改变其正负号，则称其具有奇宇称（即其宇称为负）。宇称分为空间宇称（左右对称性）和物质宇称（正反对称性）两类。宇称守恒定律只适用于强相互作用和电磁相互作用。

1946年10月15日英国实验物理学家罗彻斯特（George Dixon Rochester，1908―2001）和巴特勒（Clifford Charles Butler，1922―1999）在曼彻斯特大学实验室研究宇宙射线的云室中偶然发现了第一个奇异粒子（后来被证实为K0介子），科学家们后来陆续又发现了一些奇异粒子。在这些奇异粒子中，最使科学家们大惑不解的是K介子衰变产生的两种奇异粒子――θ介子和τ介子。1956年李政道与杨振宁密切合作，深入研究了当时令人困惑的θ-τ之谜（1954―1956年它是理论物理学界关注的焦点和主流）――即后来所谓的K介子有两种不同的衰变方式：一种衰变为偶宇称态（θπ++π0，即2π衰变模式），另一种衰变为奇宇称态（τπ++π++π0，即3π衰变模式）。如果弱相互作用衰变过程中的宇称守恒，则它们必定是2种宇称状态不同的K介子。但它们却具有相同的质量、寿命、自旋和电荷，应该又是同一种介子。他们通过理论分析认识到很可能在弱相互作用中宇称不守恒，为此于同年10月1日（论文收到日期是6月22日）合作在美国《物理评论》杂志发表了著名的论文《弱相互作用中的宇称守恒质疑》［6］，从理论上大胆地提出了李―杨假说（经实验验证后则成为物理学定律）：基本粒子在弱相互作用中并不存在宇称守恒，还给出了实验测量离散对称性C、P和T的严格条件，指出已有的弱相互作用实验并未验证过宇称守恒，同时提出包括Co-60核强极化的β衰变和P-μ-e级联衰变在内的5种实验方案，建议通过β衰变、超子衰变和介子衰变时测量极化原子核所放出的电子动量角分布实验来验证他们的预言。宇称不守恒思想的重大突破源自将赝标量（pseudoscalar）概念引入到β衰变的分析和研究中。1957年1月（9日凌晨实验取得成功，15日下午正式对外公开消息）由哥伦比亚大学实验物理学家吴健雄教授（Chien-Shiung Wu，1912.05.31―1997.02.16，享有“中国的居里夫人”或“东方居里夫人”之美誉，1975年出任美国物理学会第一位女会长）领导的5人小组（另4位合作者来自华盛顿国家标准局低温实验室）通过Co-60的β衰变实验精确地证实了在弱相互作用中宇称不守恒［7］，从而了过去在物理学界被奉为金科玉律的宇称守恒定律，这一重大发现不仅促进了对β衰变本身的研究，也促进了粒子物理学的发展，被誉为“20世纪物理学中的一次革命”。由于吴健雄小组的实验验证，李政道和杨振宁（1965年当选为美国国家科学院院士）的研究成果迅速得到学术界的公认，李和杨很快就因提出弱相互作用中宇称不守恒定律的贡献而于1957年10月31日共同荣膺当年诺贝尔物理学奖［8］。他们从论文正式发表到荣膺诺贝尔奖，历时仅1年，这是诺贝尔科学奖历史上的第一次，这种情况此后也很少再出现。1957年12月11日李政道和杨振宁在斯德哥尔摩分别发表题为《弱相互作用和宇称不守恒（Weak interactions and nonconservation of parity）》和《物理学中的宇称守恒及其他对称定律（The law of parity conservation and other symmetry laws of physics）》的诺贝尔演讲。

按照诺贝尔奖的评选规则和惯例，弱相互作用中宇称不守恒理论的预言者及其实验验证者应该共同获得诺贝尔物理学奖，显然吴健雄教授受到了明显的不公正对待（1958年美国国家科学院授予其院士称号是对此作出的安抚，也是对她杰出贡献的肯定），她十分遗憾地未能名列其中。笔者分析认为这主要是因为与吴健雄小组几乎同时独立完成的验证实验还有以下2个：①哥伦比亚大学的伽文（Richard Lawrence Garwin，1928―）、莱德曼（Leon Max Lederman，1922―，1988年诺贝尔物理学奖获奖者）及其研究生温里克（Marcel Weinrich）小组［9］；②芝加哥大学的杰罗姆・弗里德曼（Jerome Isaac Friedman，1930―，1990年诺贝尔物理学奖获奖者）和泰利格第（Valentine Louis Telegdi，1922―2006）小组［10］。文献［7］和［9］发表于同一期《物理评论》杂志上，且论文收到日期均是1957年1月15日；文献［10］则发表于下一期的同一杂志上，论文收到日期是同年1月17日。尽管这3个验证实验的实验方法和手段不尽相同，但结论却完全一致（其后2～3年之内相继有近百个不同实验得到了同一结论）。因他们对实验验证的优先权存在一些争议，在较短时间内，瑞典皇家科学院物理学奖诺贝尔委员会难以遴选出一个令各方都满意的实验验证优先者，故只好放弃。

迄今诺贝尔生理学或医学奖以及经济学奖获奖者中尚无华裔人士的踪影。

此外，还有几位诺贝尔奖获奖者与中国有些渊源：①1956年物理学奖获奖者、美国实验物理学家布拉顿（Walter Houser Brattain，1902.02.10―1987.10.13）出生于福建省厦门市鼓浪屿，当时他父亲是鼓浪屿岛上一所教会学校的教员，年幼时随双亲返回美国华盛顿。②1992年生理学或医学奖获奖者、瑞士和美国（获奖时是双重国籍）生物化学家费希尔（Edmond Henri Fischer，1920.04.06―）出生于中国上海市的一个瑞士人家庭，其父亲是瑞士籍奥地利裔犹太人，母亲是法国人（非犹太人），1927年离开中国随同2个哥哥一起回到瑞士念书。③2010年化学奖获奖者、日本化学家（获奖时供职于美国普渡大学）根岸英一（Ei-ichi Negishi，1935.07.14―）出生于日据时期的洲国新京（今吉林省长春市），第二次世界大战后离开中国回到日本神奈川县大和市念书［25］。

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