李政道院士对当代物理学的贡献

吳茂昆   中研院物理所

今年李政道院士八十壽辰,今年也是李先生和楊振寧先生共同證明在弱交互作用下宇稱不守恆後五十年,更有意義的是也是李先生從事科學研究工作一甲子。這個星期四(11/24)數百人聚在北京的人民大會堂,給李先生祝壽,回顧過去半個世紀物理學發展的歷史,並展望未來的前景。類似的場景兩個月前也曾出現在紐約市哥倫比亞大學物理系的溥賓(Pupin)樓。我有幸得以受邀參加這兩次聚會,臨場見證整個過程,覺得有必要將之紀錄下來,提供給有志從事知識創新工作者參考。

我們先來回顧一下1957年在世界各地傳播、影響深遠的物理科學大事。那年一月十五日的下午,哥倫比亞大學物理系舉行新聞發表會,被稱為實驗物理之父的拉比(I.I. Rabi)教授向大眾宣布,物理學中的宇稱守恆(Parity Conservation)基本定律被兩位年輕的物理學家李政道與楊振寧推翻了。李、楊也因此一重大發現獲得1957年的諾貝爾物理獎。弱交互作用中宇稱不守恆的發現具有極為深刻的意義和廣泛影響。在50年代,幾乎所有物理學家均相信物理現象不因空間反轉而變的規律,李政道與楊振寧兩位先生大膽的提出,在一大類物理過程中,包括β衰變、μ衰變及π衰變等與弱相互作用關聯的現象,宇稱可能是不守恆的。他們給出了可以進行這種檢驗的實驗條件,並提出了幾種實驗設想。1956年底,吳健雄教授透過β衰變實驗,得到弱交互作用宇稱不守恆的實驗證據。緊隨著吳先生的實驗之後,有近百不同的實驗得到同一結論。由於李、楊、吳三位先生的突破性工作,徹底改變了科學界對于物理世界最基本結構的概念。此一重要科學事件,更直接影響了與我同年齡世代的許多人。相信許多當年決定選擇進入大學理、工科系就讀的,多少都受到李、楊成就的影響。

九月底在哥大的活動由哥大物理系主辦,主要為一個半天的學術研討會及正式的晚宴,在北京的聚會則由中國科學院主辦,也同樣有半天的學術研討會及盛大的晚宴。這兩場集會總共有約八百人參加。在哥大的聚會更有七位諾貝爾物理獎得主參加。在北京更是聚集了中國科學院許多的院士。最難得的是已過90高齡的諾貝爾獎得主Norman Ramsey也到了哥大的集會,並做第一場報告。以他的年紀,仍能清晰的向在場的聽眾詳細說明物理的守恆定律,並由此談到中子的電雙極矩的問題。這個演講內容雖然談的是一個古老的問題,然而,我們看見一位了不起的科學家在耄耋之年仍茲玆不忘其志的精神。

接下來幾位學者演講的內容,都與李先生六十年來工作過的課題相關。首先是來自紐約市附近之布魯克黑文國家實驗室(Brookhaven National Laboratory)的薩米爾(Nick Samio教授。依據李先生與其合作者威克 (G. C. Wick) 於70年代中期的研究推論,經由重離子的對撞,應可直接驗證在原子核大小的尺度上是否存在奇特的新態。在李先生的大力推動下,相對性重離子對撞(Relativistic Heavy Ion Collision RHIC)的理論與實驗成為粒子物理研究中最重要的領域之一。這個應用金原子核在高速下對撞的實驗,確實發現了在強相互作用下,有類似完美流體的新物態,此一發現帶動一個新物理問題研究的開始。Samio教授對整個事件做了相當詳盡及深入的報告,讓與會者瞭解李先生的投入及貢獻。

哥大物理系的Norman Christ教授報告了他們研究團隊發展的超級高速電腦的歷程。在李先生的倡議、推動與領導下,哥倫比亞大學和IBM公司、布魯克黑文國家實驗室等單位合作,自1993年起研制超級計算機,為物理計算服務。1998年完成了用于計算量子色動力學的超級計算機,運算速度達每秒4000億次;;2005年完成了新一代超級計算機,運算速度更達每秒10萬億次。這些工作帶動了今天新的具有超級計算能力電腦的發展。

來自MIT的Frank Wilczek教授接著演講。Wilczek 是2004年物理諾貝爾獎得主之一,他也是一位天才型的科學家。據我所知,他得諾貝爾獎的工作是他博士論文的題材,在20歲左右他完成的工作。他特別推崇李先生在量子色動力學的理論推展的貢獻,特別是建立了Lattice Gauge計算理論的基礎。他更特別提及宇稱不守恆對發展統一場理論的重要影響。下一個講者是Carnegie-Mellon大學物理系主任Fred Gilman。Gilman教授強調,宇稱不守恆對物理發展的重大影響,尤其是粒子物理學的發展。他特別強調李先生在高能物理研究國際合作的重要貢獻及努力。MIT來的文小剛教授是下一棒。他代表所有CUSPEA計畫的中國留學生向李先生致意並祝壽。文教授首先說明要不是CUSPEA計畫,他不可能到美國進修,當然也就不可能有他今天的成就。文教授也簡要的敘述他目前從事"光"之科學基礎的研究,他認識到,宇稱不守恆對理解光具有粒子與波雙重性(Particle-Wave Duality)本質有關鍵性的影響。

最後一個講話的來賓是諾貝爾獎得主Leon Lederman。1956年Lederman教授與李先生都是哥大的年輕教授。當年哥大物理系有個由李先生召集的固定聚會,每星期五教授們一起在離哥大不遠的一家上海餐館"月宮酒樓"午餐,同時討論各種問題。1956年底的一次聚會,席上李先生向大家談及吳先生在進行的實驗工作,並說明吳先生的結果已初步驗證他與楊先生的想法。Lederman受到此一討論的啟發,隨即回到實驗室,與他的合作者進行了著名的"36小時"實驗,證明在μ衰變也呈現宇稱不守恆。他們的工作因此與吳先生的結果發表在同期的物理評論期刊,給李、楊理論明確的實驗證據。

從貴賓們的演講,我們可以認識到李先生對物理學的貢獻是多方面的。正如曾任美國物理學會理事長的S. Drell教授所說:"綜觀物理學的各個不同領域,很難找到沒有留下李政道足跡的地方,他犀利的物理直觀和高超的解答難題的能力,為物理學的發展做出了持久而明確的貢獻"。他的研究領域除高能粒子物理外,還廣泛的涉及天體物理;流体力學、統計物理、凝固態物理及廣義相對論等,且在這些領域上都有重要的影響。例如他在流體力學的研究,主要針對二維和三維流體的湍流,他指出,二維空間的流體沒有湍流,湍流只能在三維空間發生。颱風等激烈氣象必須有第三維與地面垂直的氣流才能發生。他的研究成為氣候預報的重要基礎。令人驚奇的是,1986高溫超導發現後,李先生也曾著力于高溫超導和碳60的研究。他與合作者共同探討了凝聚態物理、多體統計等方面的問題,他們獨特的想法,提供了傳統凝聚態物理研究者另類的思考方向。

李先生研究問題,有他自己特異的風格。對於他自己提出的每一項研究,李先生都從基本的原理和假設出發,推出所有必要的公式;對於別人的工作,他則著重了解其中的未知與未能解決之處,並常以別人尚不知或不能解決的難題作為自己新的研究方向。所以,一但進入一個領域,他便能不受已有方法的束縛,很快得到別人沒有的結果。對李先生來說,科學研究的路是自己開拓的,結果是別人過去沒有得到過的。雖然李先從事的是理論物理工作,但他的研究生涯一直和實驗物理工作有著密切的聯繫,展現一個注重實驗的理論物理學家的特色,尤其對高能物理實驗有著巨大的影響。

研討會最精彩的節目,是李先生自己的講話。他首先回顧了50年前宇稱不守恆被實驗證明發現的關鍵事件,他詳細的說明了吳健雄先生進行鈷60(Co60)同位素β衰變實驗的過程。根據吳先生的回憶,李先生與吳先生在1956年春天討論了以β衰變實驗驗證宇稱不守恆的可行性。吳先生即刻認識到這是實驗物理學家千載難逢的機會。因此,雖然吳先生與其夫婿袁家騮先生原先已安排好趁赴瑞士開會的機會回到,離開20年後未曾回去過的中國訪問,但為了爭取時效,吳先生決定留下進行實驗的規劃,而讓袁先生單獨回到中國。由於實驗需要用到設置於華盛頓DC的國家標準局(National Bureau of Standard)之極低溫設施,使得吳先生於這段期間需要紐約、DC兩地往返,非常辛苦。1956年的耶誕節休假前,吳先生由華盛頓DC搭乘火車回紐約,時間已經相當晚,以電話告訴李先生他們的實驗已經明確的得到β衰變宇稱不守恆的直接證據。該實驗結果於1957的一月十五日刊登,也才有了Rabi在同一天的記者發表會。李先在述說這段故事時,特別提及當時雖然吳先生已經是世界上公認為進行β衰變實驗最重要的科學家之一,她在哥倫比亞大學物理系並沒有正式的教授頭銜,當然也就沒有適當的研究室,當然只好尋求與其他單位的合作。明顯的道出科學界兩性不平等的嚴重問題。顯然,這個問題並沒有阻礙了吳先生,排除各種困難以利實驗的進行,這種為探索新知的投入與熱忱,確實是我們,尤其是年輕的一代,需要加強學習的地方。

李先生一甲子的研究工作,從沒有離開過物理,正如他自己所說:"物理是我的生活方式"。然而,他雖一生從事物理科學研究,但他對中華文化的精髓,有非常深入的認識。他在經、史、子、集的涉略,非常深入;他的書法與繪畫,也自成一格。所以,他以五首詩句名來總結他60年來的研究生涯。第一句是老子《道德經》的"道可道,非常道;名可名,非常名"。李先生以玩笑的口吻說:此一詩句的與量子力學之基礎的海森堡測不準原理(Heisenberg Uncertainty Principal)相通。李先生對此的詮釋是,"可以被證明的原理,不會是絕對的原理;一個被賦予的名詞,不會是永久的"。物理的基本概念確實如此。例如愛因斯坦相對論中,其中一個主要的基本假設是光速是一絕對常數,是一個由實驗得到的結果,是不可證明的。這句話,指引科學研究者必須要有開放的思想,要能創新、突破。第二句李先生引用論語的第一句話"學而時習之,不亦悅(說)乎;有朋自遠方來,不亦樂乎"。在他耄耋之年,李先生仍然關注新世紀物理學的發展。他仍在挑戰物理,為研究簡單的物理真空,在求解薛定諤方程式(量子力學的基本方程)和非微擾問題方面做了一系列工作。進而探討暗物質的本質,中微子質量本征態的轉換矩陣等。在今年(2006年)就已發表了五篇論文,這樣年齡還能有如此科學成果,在科學史上也是十分罕見的。也正是他服膺孔夫子說詞的具體表現。

第三句他引用杜甫的詩"細推物理須行樂,何用浮名絆此身"。然而,他認為他一生從事物理,其原動力是更深刻的。因此,借用杜甫原意他將領之改寫為"細推物理日復日,疑難得解樂上樂"。這真是研究,做學問的最高意境。驅使人們日日不倦從事學術研究的原動力,不是名聲利益,而是為求得到心中疑問的解答。最後他引用近代一位數學家黃伯飛所寫的"人生有幾何、性命無代數"為其演講的結語。

李先生一生曾可謂"意氣風發"、碩果累累。因為他的卓越成就,除了1957年與楊振寧先生共同獲得諾貝爾物理獎之外,也得到許多的重要學術獎,他是許多國家科學院的院士,幾十個大學名譽博士;榮譽教授及特邀講座等頭銜。真正是譽滿全球。但是,在這樣大的成就與榮譽面前,李先生從沒有"揚揚自得"的表現,有的是更加勤奮、更加刻苦的工作。而李先生對推展科學研究的熱忱,尤其是提昇華人的科學地位,提攜後進,為後人發展建立機會的胸懷,確實是從事學術工作者的最佳典範。

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