細推物理須行樂，何用浮名絆此身——紀(jì)念李政道先生

細推物理須行樂，何用浮名絆此身——紀(jì)念李政道先生 | 袁嵐峰

關(guān)注風(fēng)云之聲，提升思維層次

導(dǎo)讀：我以前經(jīng)常講，外國的年輕科學(xué)家如果發(fā)現(xiàn)楊振寧和李政道還在世，可能會大吃一驚，因為在他們看來，這兩位1957年就獲得諾貝爾獎的、教科書上的人物，似乎應(yīng)該是上一個時代的人?，F(xiàn)在這個時代結(jié)束了，李政道先生心心念念的努力已經(jīng)結(jié)出了碩果。中國已經(jīng)擺脫了積貧積弱，強盛起來，科學(xué)事業(yè)還需要我們更多的投入。李政道先生已經(jīng)度過了偉大的一生，細推物理須行樂，何用浮名絆此身。

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2024年8月5日，驚悉偉大的物理學(xué)家、中國最早的諾貝爾獎獲得者李政道先生去世，享年98歲。李政道先生早已成為傳奇，激勵了一代又一代學(xué)子。他對我、對我的很多朋友以及對整個中國科技界，都有巨大的影響和幫助。因此我不揣冒昧，努力向大家介紹一下李先生的貢獻，尤其要介紹一些獨特的、從我的視角看到的事跡。

李政道先生在黑板前

這里最獨特的，就是我跟李政道先生的個人聯(lián)系。我并沒有當(dāng)面見過李先生，但李先生的次子李中漢（Stephen Lee）是康奈爾大學(xué)化學(xué)系教授，他就是我的博士后導(dǎo)師之一。從李中漢老師那里，我聽到了不少他父親的有趣故事。

李中漢

2021年，我為李政道先生的科普書發(fā)布做過介紹報告。令我十分意外的是，李先生后來竟給我發(fā)來賀年片表示感謝。這是我收到的最榮幸的禮物。

李政道給袁嵐峰的賀年片1

李政道給袁嵐峰的賀年片2

李政道給袁嵐峰的賀年片3

這些故事我們后面再詳細說，下面先簡略介紹一下李政道先生的生平。

李政道先生1926年生于上海，1944年至1946年先后就讀于浙江大學(xué)和西南聯(lián)合大學(xué)，1946年獲國家獎學(xué)金赴美留學(xué)。李中漢老師跟我說過，當(dāng)時中國的國民黨政府派他們出去，其實是想讓他們學(xué)習(xí)造原子彈。但美國根本不想讓其他國家掌握核武器，所以李政道只得改行，搞粒子物理。不過，一起去的朱光亞等人后來還是回到了國內(nèi)，幫新中國造出了核武器。所以我對李中漢老師說，他們最終確實成功了，只不過換了一個政府！

1964年10月16日，中國第一顆原子彈爆炸

1950年，李政道在芝加哥大學(xué)獲得博士學(xué)位，時年24歲，比我獲得博士學(xué)位的年齡大一歲。這其實是他的第一個正式學(xué)位，以前由于戰(zhàn)亂，他的小學(xué)、中學(xué)、大學(xué)文憑從來沒有拿到過！李政道的博士導(dǎo)師，是意大利科學(xué)家、1938年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者恩里科·費米（Enrico Fermi，1901 — 1954）。

恩里科·費米

楊振寧先生也是在芝加哥大學(xué)讀的博士，1948年獲得博士學(xué)位。不過他的導(dǎo)師不是費米，而是匈牙利科學(xué)家、美國氫彈之父愛德華·泰勒（Edward Teller，1908 — 2003）。

愛德華·泰勒

因此，他是李政道廣義的師兄，不是狹義的師兄。從那時開始，開啟了兩人卓有成效的合作。

年輕時的楊振寧與李政道

1957年，楊振寧和李政道因為發(fā)現(xiàn)宇稱不守恒，榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。這是大多數(shù)人都知道的，可以說任何受過教育的中國人，應(yīng)該都聽說過。

李政道、楊振寧獲諾貝爾物理學(xué)獎

這對我和幾代人來說，都發(fā)揮了巨大的激勵作用：中國人不是不擅長搞科學(xué)，中國人一旦認真去搞科學(xué)，完全可以站上頂峰！單憑這一點，李先生和楊先生就已經(jīng)達到了不朽。

但下一個層面的問題是，任何人只要稍微有點好奇心，都會問：宇稱不守恒究竟是什么意思？這可就難了，恐怕99%的人都搞不明白。

我對此有一個詳細的介紹。那是在2021年，李政道的科普代表作《對稱與不對稱》重新出版，在上海交通大學(xué)李政道圖書館舉行了一場隆重的發(fā)布儀式。

李政道《對稱與不對稱》新書發(fā)布會

我做了一個報告《物理學(xué)與美學(xué)的頂峰相遇——李政道先生思想的星辰之光》，并現(xiàn)場回答了上海交大同學(xué)們的問題。上交的同學(xué)們確實十分優(yōu)秀，提的問題都非常有思考。

袁嵐峰的報告《物理學(xué)與美學(xué)的頂峰相遇——李政道先生思想的星辰之光》

袁嵐峰回答同學(xué)的問題

我這個演講比較長，但我相信，任何人聽了以后，都會對李政道先生的科學(xué)成就和思想獲得深入的了解。因此，下面我就基本重新講一次這個報告。

其實，宇稱不守恒的意思可以用一句話解釋，就是定義絕對的左右。

左右鏡像

這話是什么意思呢？讓我們想想，我們平時是怎么定義左右的。其實最常用的定義就是：左手在左邊，右手在右邊。但是稍微一想就會發(fā)現(xiàn)，這是個循環(huán)定義，根本沒有解決任何問題。這個循環(huán)定義居然能夠奏效，是因為我們可以跟小朋友面對面地交流，拿著他的胳膊說，這個是左邊，這個是右邊。但如果不能見面，單憑語言交流，你就會發(fā)現(xiàn)定義左右是個非常困難的任務(wù)。

不要說是對小朋友了，即使是對成年人，分清左右也不是總能做到的。經(jīng)常有人在跳舞或者軍訓(xùn)的時候順拐，這就是分不清左右的典型表現(xiàn)。

軍訓(xùn)順拐

當(dāng)然，你可以說，人的心臟在左邊，至少是大多數(shù)人的心臟在左邊。這個定義比“左手在左邊”好多了，但請仔細想想，這真的是一個本質(zhì)性的定義嗎？

人的心臟位于左邊

其實并不是。因為你可以想象一個鏡中世界，其中每一個人、每一個物體以至每一個分子的左右方向都是跟我們相反的。這個鏡中世界的人能不能存活呢？回答是可以，因為他并沒有違反任何物理規(guī)律。

這就觸及到了問題的實質(zhì)：物理規(guī)律的左右對稱。所謂人的心臟在左邊，只是一個偶然的現(xiàn)象，而不是物理規(guī)律。我們相信，在這個不對稱的現(xiàn)象背后的物理規(guī)律仍然是左右對稱的。也就是說，鏡中世界的所有現(xiàn)象跟現(xiàn)實世界的所有現(xiàn)象同樣地可以成立。

你向著鏡子揮舞左手，鏡中的人向你揮舞右手，兩者同樣符合物理規(guī)律。你無法分辨哪個是真的，哪個是鏡像。甚至可以說，你無法確認你現(xiàn)在是在真實世界里面，還是在鏡像世界里面。兩者是同等合理的，你無法分辨自己是在哪個里邊。

這就像伽利略提出的相對性原理：如果你在一條勻速直線運動的大船里面，你不向外看就不可能知道這條船是靜止的還是運動的，因為你看到的所有現(xiàn)象都跟靜止的船一樣。如果在船里放一碗水，你看到的就是水面保持水平，而不是水面起伏不定。如果你在手里握一個球，然后松手，你看到的就是這個球落到正下方，而不是落到后面去?？傊?，一切都跟靜止的船一樣。

伽利略相對性

這種不可分辨性，使我們無法定義絕對的靜止。同樣，真實世界跟鏡像世界的不可分辨性，使我們無法定義絕對的左右。如果一個現(xiàn)象的鏡像跟它滿足同樣的物理規(guī)律，即這個現(xiàn)象無法區(qū)分左右，那么我們就說這個現(xiàn)象是宇稱守恒的。

廣而言之，每一種對稱性都會導(dǎo)致某些物理量無法定義，同時導(dǎo)致某些物理量守恒?！秾ΨQ與不對稱》這本書的附錄A里舉了好幾個例子，列了一張表。例如，空間平移的對稱性導(dǎo)致不可定義絕對的位置，由此導(dǎo)致動量守恒定律，這就是剛才說的伽利略相對性。又如，時間平移的對稱性導(dǎo)致不可定義絕對的時間，由此導(dǎo)致能量守恒定律。空間轉(zhuǎn)動的對稱性導(dǎo)致不可定義絕對的方向，由此導(dǎo)致角動量守恒定律。

物理學(xué)中對稱性的例子（《對稱與不對稱》表A.1）

跟我們當(dāng)前最相關(guān)的是，空間反射的對稱性導(dǎo)致不可定義絕對的左右，由此導(dǎo)致宇稱守恒定律。這話實際上只是告訴大家，存在宇稱（parity）這樣一個物理量，還沒有說它是怎樣定義的。宇稱這個物理量的定義，我們留到后面解釋。

如果你理解到這一層，你的知識水平就超過了90%的人。

李政道先生在這本書里，舉了一個有趣的例子。設(shè)想有兩輛汽車，造得一模一樣，唯一的區(qū)別就是左右反轉(zhuǎn)。我們把這兩輛汽車稱為……不是稱為a和b，而是稱為b和d，因為b和d互為鏡像。請問，這兩輛汽車的性能是不是完全一樣呢？

兩輛除互為鏡像外造得完全一樣的汽車（《對稱與不對稱》圖5.1）

常識的回答當(dāng)然是，完全一樣。然而驚人的答案來了：它們可以不一樣！這就是宇稱不守恒。

具體而言是這樣：如果這兩輛汽車用到的全都是常規(guī)的物理原理，也就是我們平時用到的內(nèi)燃機、電池等等，那么它們的性能確實會完全相同。但如果用到了一種超越日常生活的物理原理，即所謂“弱相互作用”（weak interaction），那么它們就會出現(xiàn)區(qū)別。

哎，弱相互作用是什么意思？現(xiàn)在我們需要講一下基本作用力，弱相互作用就是其中的一種。

如果問，世界上的力有多少種？那當(dāng)然可以數(shù)出很多，簡直無窮無盡。但如果問，基礎(chǔ)的力有多少種？那就變得屈指可數(shù)了，因為很多種平時見到的力是可以合并的，它們都是同一個來源。例如，化學(xué)反應(yīng)中涉及的力其實全都是電磁力（electromagnetic force），因為化學(xué)反應(yīng)中發(fā)生的就是電子的重新排布，這是由原子核與電子、電子與電子、原子核與原子核之間的電磁力驅(qū)動的。

經(jīng)過這樣的合并之后，基本的相互作用就只剩下了三四種。到底是三種還是四種呢？常見的說法是四種，而這本書里說的是三種。常見的說法四種指的是：強相互作用（strong interaction）、電磁力、弱相互作用和萬有引力（gravity）。而這本書里把電磁力和弱相互作用合并稱為電弱相互作用（electroweak interaction），所以只有三種。這是因為在四種的基礎(chǔ)上，物理學(xué)家們又提出了一種理論，把電磁力和弱相互作用統(tǒng)一了起來。

粒子物理的目前狀態(tài)（《對稱與不對稱》表16.1）

現(xiàn)在人們還在嘗試再把強相互作用和電弱相互作用統(tǒng)一起來，也就是把引力之外的所有作用都統(tǒng)一起來。這叫做大統(tǒng)一理論（grand unified theory），目前還沒有成功。還有人在嘗試把包括引力在內(nèi)的所有相互作用都統(tǒng)一起來，這個目標(biāo)就更加宏大了，當(dāng)然離成功就更遠。公眾經(jīng)常聽說的超弦理論（superstring theory），就是這些嘗試中的一種。

下面，我們簡單地解釋一下這四種相互作用。

四種基本相互作用

強相互作用就是把質(zhì)子（proton）和中子（neutron）結(jié)合成原子核（atomic nucleus）的力。大家都知道，原子核是由質(zhì)子和中子組成的，中子不帶電，質(zhì)子帶正電。質(zhì)子與中子統(tǒng)稱核子（nucleon）。這些帶正電的質(zhì)子之間離得這么近，它們之間肯定有很強的靜電排斥力。但原子核居然沒有炸開，而是緊密地結(jié)合在一起，這說明什么？說明核子之間肯定有更強的吸引力，克服了靜電排斥。這種更強的吸引力就是強相互作用，或者稱為核力（nuclear force）。它的強度比電磁力高兩個量級。

值得一提的是，在強相互作用的層面上，質(zhì)子跟中子是完全一樣的。也就是說，質(zhì)子跟質(zhì)子之間、質(zhì)子跟中子之間以及中子跟中子之間的強相互作用都相等。所以對于核力而言，重要的只是核子這個統(tǒng)稱，而不需要區(qū)分質(zhì)子和中子。

然后是電磁力。其實我們?nèi)粘Ｉ钪杏玫降膸缀跛械牧Χ际请姶帕?，除了萬有引力之外。因為我們前面說了，所有的化學(xué)反應(yīng)都來自電磁力，而人力、畜力等等都來自化學(xué)反應(yīng)。至于家用電器的能量，那更是顯而易見來自電磁力。除非你用到了核電站，那是核裂變（nuclear fission），或者氫彈，那是核聚變（nuclear fusion），核裂變與核聚變都來自強相互作用。

然后是弱相互作用。這不是日常生活中常見的。如果一定要找一個跟日常生活最近的，大概就是醫(yī)院的伽馬刀手術(shù)，伽馬刀的γ射線來自Co-60的β衰變（β decay）。什么叫做β衰變呢？

人們最初發(fā)現(xiàn)放射性的時候，把放出的射線分為α、β和γ三種。后來發(fā)現(xiàn)，所謂α射線就是He的原子核，即兩個質(zhì)子加兩個中子；所謂β射線就是電子；所謂γ射線就是光子，只不過是很高能量的光子。所以，放出電子的核反應(yīng)被稱為β衰變。

三種射線

電子的質(zhì)量比核子小得多，β衰變的時候核子數(shù)沒有發(fā)生變化，只是一個中子變成了質(zhì)子，原子核的電荷數(shù)增加1，同時放出一個電荷為-1的電子。因此在強相互作用的層面上，沒有發(fā)生任何變化。那么是什么導(dǎo)致了β衰變呢？就是弱相互作用。弱到什么程度呢？比強相互作用弱13個量級。大家可以記住，只要一個核反應(yīng)屬于β衰變，就涉及到了弱相互作用。

最后是萬有引力。它的強度簡直低得驚人，比強相互作用低38個量級。所以在其他任何一種力占主導(dǎo)的情況下，引力都是可以忽略的。但它最大的特點就是只有相加沒有相減，因此在宇宙尺度上，引力笑到了最后。

四種相互作用的相對強度（摘自楊振寧的諾貝爾獎演講，好，介紹完了這四種力，請問，在確定左右方面其中哪種是特殊的？答案是弱相互作用，因為只有它是宇稱不守恒的?；仡櫼幌虑懊嬲f的互為鏡像的兩輛汽車，如果它們用到弱相互作用，比如說用Co-60的β衰變來打火，那么它們的性能就會出現(xiàn)不同。

這當(dāng)然不是一眼就能看出來的。下面我們來解釋，李政道和楊振寧是如何發(fā)現(xiàn)這一點的。

五十年代，人們發(fā)現(xiàn)有兩種粒子，當(dāng)時稱為θ粒子和τ粒子，具有奇妙的性質(zhì)。怎么個奇妙法呢？搞不清它們到底是兩種不同的粒子，還是同一種粒子。一方面，它們的質(zhì)量、電荷、壽命等等在實驗誤差范圍內(nèi)完全相等，所以看起來它們應(yīng)該是同一種粒子。然而另一方面，它們又有一項性質(zhì)明顯不同，就是宇稱，因此它們又應(yīng)該是不同的粒子。

現(xiàn)在我們需要說明一下，宇稱這個性質(zhì)究竟是怎么定義的。明白宇稱不守恒就意味著可以定義左右，這是第一層。明白宇稱本身怎么定義，這是第二層。

我們在宏觀世界里用的牛頓力學(xué)（newtonian mechanics），在微觀世界里幾乎是完全不適用的。要描述微觀世界，就必須用到一個更深入的理論，叫做量子力學(xué)（quantum mechanics）。量子力學(xué)中描述一個體系，用的是一種數(shù)學(xué)函數(shù)，稱為波函數(shù)（wave function），它是關(guān)于粒子坐標(biāo)的函數(shù)。

當(dāng)把一個體系中所有粒子的坐標(biāo)反號，即x變成-x，y變成-y，z變成-z，這時體系的波函數(shù)有兩種可能，一種是不變，另一種是變成自己的負值。為什么只有這兩種可能呢？因為這樣的變換做兩次，不就回來了嗎？所有的坐標(biāo)先反號，再反號，就變回了最初的狀態(tài)。因此，變換兩次之后波函數(shù)必然復(fù)原。那么變換一次的時候，波函數(shù)跟原來的關(guān)系必然就是乘以+1或者-1。

這個問題其實就是，已知

x2 = 1，

問x等于多少?；卮鹁褪?/p>

x = ±1。

好，我們把x = +1的體系稱為偶宇稱，把x = -1的體系稱為奇宇稱。也就是說，波函數(shù)在所有坐標(biāo)反號時不變的宇稱為偶，波函數(shù)在所有坐標(biāo)反號時反號的宇稱為奇。有且只有這兩種宇稱。一個現(xiàn)象宇稱守恒說的就是，它不會改變體系的宇稱。原來是偶，那么結(jié)果仍然是偶。原來是奇，那么結(jié)果仍然是奇。

現(xiàn)在有趣的事情來了。人們觀測到，θ粒子會衰變成兩個π粒子，τ粒子會衰變成三個π粒子。這里的π粒子是另一種粒子，已知它的宇稱是奇。

θ和τ粒子的衰變（摘自楊振寧的諾貝爾獎演講，https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1957/yang/lecture/）

由此可以推出，θ粒子的宇稱是偶，因為它等于兩個奇宇稱相乘，負負得正；τ粒子的宇稱是奇，因為它等于三個奇宇稱相乘，三個-1乘起來還是-1。這樣看來，θ和τ不是同一種粒子。但前面我們剛說了，它們的質(zhì)量、電荷、壽命等其他性質(zhì)全都是相同的。那為什么兩種不同的粒子又會如此相似呢？

這就是當(dāng)時令物理學(xué)界困惑不已的θ - τ難題。如果你理解了宇稱是如何定義的，以及θ - τ難題是什么意思，你的知識水平就超過了99%的人。

讓我們代入當(dāng)時人的處境設(shè)想一下，假如你是李政道、楊振寧，你該怎么辦呢？一般人的想法大概就是，這個現(xiàn)象很有趣，但它只是個巧合而已。不理它了，下一個。

如果你這樣做，你當(dāng)然就不可能做出偉大的發(fā)現(xiàn)了。這就是偉大人物跟一般人的區(qū)別所在。偉大人物能夠敏銳地意識到問題，并且能夠通過直覺與周密的分析找到前進的方向。李政道和楊振寧注意到，宇稱守恒雖然是個常識，但這個常識并不是天經(jīng)地義的。也就是說，它并不是個數(shù)學(xué)定理，而是個經(jīng)驗事實，是可以通過實驗來檢驗的。

這是個石破天驚的想法。請大家仔細想想，1 + 1 = 2能不能通過實驗來檢驗？回答是不能，因為它是個數(shù)學(xué)命題。它的正確性來自自然數(shù)的定義，用專業(yè)語言說叫做皮亞諾公理體系，總之是一套邏輯建構(gòu)，而不是經(jīng)驗事實。

皮亞諾公理體系

我們有時候會給小朋友演示，一個蘋果和一個蘋果放在一起等于兩個蘋果，幫助他們記住1 + 1 = 2。但請仔細想想，如果一個蘋果和一個蘋果放在一起突然變成了三個蘋果，我們會說1 + 1 = 3嗎？不會的，我們會認為有人在變魔術(shù)，而不會認為1 + 1變成了3。

因為推理總要有個前提，1 + 1 = 2就屬于優(yōu)先級最高的前提。我們總是在用它推出其他東西，而不可能用其他東西推翻它。我們甚至都無法想象一個1 + 1 ≠ 2的世界是什么樣子，因為這必然導(dǎo)致自相矛盾。

作為相反的例子，“太陽從東邊出來”就是個經(jīng)驗事實，而不是數(shù)學(xué)命題。它的可信度當(dāng)然非常高，因為我們已經(jīng)觀察到這個現(xiàn)象無數(shù)次了。但是，原則上我們總是想象一個太陽從西邊出來的世界，而不會導(dǎo)致自相矛盾。因此，這個常識是可以挑戰(zhàn)的，每天的觀察就是對它的檢驗。

了解了經(jīng)驗事實與數(shù)學(xué)命題的區(qū)分之后，我們就明白了關(guān)鍵點：宇稱守恒是一個經(jīng)驗事實，而不是數(shù)學(xué)命題。并沒有一個數(shù)學(xué)理論告訴我們，宇稱一定要守恒。因此，它是可以實驗檢驗的。

一旦想通了這一點，李政道和楊振寧就趕快開始研究以前的實驗證據(jù)。他們發(fā)現(xiàn)，對于強相互作用、電磁力和萬有引力，已經(jīng)有充分的實驗證據(jù)表明它們都是宇稱守恒的。但對于弱相互作用，其實從來都沒有實驗認真研究過其中的宇稱是否守恒。人們只是出于慣性或者說惰性，天然地認為弱相互作用應(yīng)該跟其他三個一樣，把這個當(dāng)成默認的前提了。

打個比方，有四個人去過安檢。查了前三個人都沒問題，然后安檢員就覺得第四個人理所當(dāng)然也沒問題，讓他混進去了。這時有人跳出來說，且慢，第四個人還沒查呢！結(jié)果仔細一查，——發(fā)現(xiàn)他帶了一串煙花爆竹。

——俺也一樣！

——不對，有一個不一樣！

李政道和楊振寧做的就是這件事，提醒大家檢查第四個人。首先他們猜測，弱相互作用中宇稱可以不守恒。這樣θ和τ就成了同一種粒子，這個矛盾就不存在了。然后為了證實這個猜測，他們需要提出一些判決性的實驗。這樣的實驗很明顯，用一個涉及弱相互作用的現(xiàn)象，例如Co-60的β衰變，看它們的產(chǎn)物是不是左右對稱。

李政道和楊振寧提出宇稱不守恒的論文《弱相互作用中宇稱守恒的問題》

很快，華人女物理學(xué)家吳健雄等人就做了第一個這樣的實驗。

吳健雄和θ-τ之謎的漫畫

這個實驗的難度很大，因為要用很低的溫度，把大量的Co-60原子冷卻起來，讓它們的磁矩同方向排列。把β衰變和低溫結(jié)合起來的技術(shù)，以前是不存在的。但吳健雄等人發(fā)揮了高度的創(chuàng)造性，開發(fā)出了這樣的技術(shù)，做成了這個實驗。實驗結(jié)果表明，產(chǎn)物確實是左右不對稱的。

吳健雄等證實宇稱不守恒的實驗（《對稱與不對稱》圖5.2）

上面這個圖是書中的圖5.2，我在很多其他地方也見過類似的圖。但這樣的圖缺乏文字標(biāo)注，很難看明白它表達的是什么意思。下面這個圖，就清楚多了。

吳健雄等證實宇稱不守恒的實驗詳細解釋圖

這個圖告訴我們，左邊給螺線管通電，產(chǎn)生一個磁場，使Co-60的核自旋順著這個磁場排列起來，然后觀察到大部分電子是向上走的，而不是向下走。右邊是左邊那個裝置的鏡像。如果宇稱守恒的話，大部分電子也應(yīng)該從上面走，因為左右對換并不會影響上下。然而實際觀察到的是，右邊大部分電子從下面走了，這就破壞了宇稱守恒。

其實，電子發(fā)射存在一個優(yōu)勢方向這本身就是驚人的，因為它可以用來確定左右，這已經(jīng)足以說明宇稱不守恒了。比如說，在左邊，把你的左手四指彎成螺線管中電子流的方向，大拇指就會指向上方，這是電子發(fā)射的優(yōu)勢方向。在右邊，螺線管中電子流的方向反向了，同時電子發(fā)射的優(yōu)勢方向也反向了，所以它們之間仍然是左手的關(guān)系。因此，根據(jù)螺線管的方向和電子發(fā)射的優(yōu)勢方向，就可以定義絕對的左右。

由此可見，假如宇稱守恒的話，電子發(fā)射就必然是上下對稱的，不偏向任何一邊。因此當(dāng)吳健雄等人觀察到電子發(fā)射不是對稱的，他們就已經(jīng)知道自己成功了。

這個方法可以用在一個假想的場景，就是向外星人解釋左右。假如我們跟一個遙遠的外星文明聯(lián)系上了，雙方可以通話，但不能見面，也不能寄個東西過去。這時我們就不能像教小朋友一樣，拿起對方的胳膊說，這邊是左，這邊是右。但是我們可以跟他們說，用Co-60做這樣一個β衰變的實驗，把螺線管與出射電子優(yōu)勢方向之間聯(lián)系起來的就是左手，而不是右手。如果外星人精通物理學(xué)，他們就會去這樣做個實驗，然后恍然大悟：原來你們說的左邊就是這邊，明白了！

到這個層面，你就完全理解了宇稱不守恒是什么意思，你的知識水平超過了99.9%的人?，F(xiàn)在你能夠理解它有多么震撼了吧？

一般諾貝爾獎從做出成果到獲獎，往往需要幾十年。但李政道和楊振寧卻是1956年提出宇稱不守恒，1957年即第二年就獲獎了，這個驚人的速度反映了這件事對物理學(xué)界的震動之大。所以李政道獲得諾貝爾獎的年齡是31歲，他是歷史上第二年輕的諾貝爾物理學(xué)獎獲得者，唯一比他年輕的是25歲獲獎的小布拉格（William Lawrence Bragg，1890 — 1971）。

在接受了弱相互作用中宇稱不守恒之后，下一步的問題自然就是：為什么會這樣？對此的回答很簡單：不知道。

我們有很好的理論描述這個現(xiàn)象，就是電弱統(tǒng)一理論，現(xiàn)在經(jīng)常叫做標(biāo)準(zhǔn)模型（standard model）。但這只是描述而不是解釋，所以弱相互作用中宇稱不守恒的原因現(xiàn)在仍然不清楚。

本書中提出了一種可能的解釋，稱為真空激發(fā)。基本意思是，真空并不空，它是有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的。單獨的物質(zhì)體系不對稱，但加上真空以后，物質(zhì) + 真空的這個整體就是對稱的。

這個觀點有多大用處呢？李政道先生對它有個明確的評價：作為一種記賬手段，這樣寫總是可以的。然而，除非我們對于真空與物質(zhì)的聯(lián)系有其他了解，我們怎么能夠判定這個觀念是正確的，而不是一種同義反復(fù)呢？

李政道對真空激發(fā)理論的評價

我覺得，這是一個非常值得大家學(xué)習(xí)的思維方法。這段話里最有趣的是“記賬手段”這個詞，也就是說，僅僅發(fā)明一種新的語言，并沒有帶來任何實質(zhì)性的改變。許多人經(jīng)常自以為提出了某種偉大的智慧，但其實毫無用處，就是因為他們不知道自己想到的只是某種記賬手段而已。偉大的科學(xué)家就具有這種反思能力，能夠意識到什么是真正的進步，什么只是同義反復(fù)。

把單純的記賬手段跟真正的智慧區(qū)分開的，是改變世界的能力。正如馬克思的名言：“哲學(xué)家們只是用不同的方式解釋世界，而問題在于改變世界?！崩钫涝谶@里的提議，就是后面的一段：關(guān)鍵的問題在于是否有可能改變真空，使得失去的對稱性再回到物質(zhì)中來。如果真空確實像一種物理介質(zhì)，那么，一定可以通過改變其外部條件來改變其性質(zhì)。

李政道對如何檢驗真空激發(fā)的建議

具體而言，李政道提議的實驗方法叫做“相對論性重離子碰撞”（relativistic heavy ion collision）。例如，美國布魯克海文國家實驗室的相對論性重離子對撞機（RHIC）就是干這個的。把兩個加速到巨大能量的金原子核對撞，就有可能讓真空激發(fā)，甚至有可能接近138億年前宇宙大爆炸的條件。

1999年10月4日在美國布魯克海文建造完成的相對論性重離子對撞機（《對稱與不對稱》圖12.1）

在這樣的極端條件下，不對稱的有可能恢復(fù)對稱。如果這發(fā)生了，就驗證了真空激發(fā)的理論。當(dāng)然這個目標(biāo)還沒有達到，不過在實驗過程中，已經(jīng)產(chǎn)生了很多新發(fā)現(xiàn)，所以這些實驗還是很有價值的。

相對論性重離子對撞前后的真空（《對稱與不對稱》圖12.2）

國畫大師李可染應(yīng)李政道之邀畫過一幅畫，標(biāo)題叫做《核子重如牛，對撞生新態(tài)》。這幅畫可以看作對對撞機最好的廣告！

李可染的畫“核子重如牛，對撞生新態(tài)”（《對稱與不對稱》圖12.3）

也許你還沒有看明白，真空激發(fā)理論究竟是什么意思。實際上，學(xué)術(shù)界對它有另一種表述，叫做“自發(fā)對稱破缺”（spontaneous symmetry breaking）。我覺得這種表述方法更好理解一點，下面向大家介紹。

大自然中，每個體系都傾向于能量更低的狀態(tài)。我們把能量最低的狀態(tài)稱為基態(tài)（ground state）。假如基態(tài)只有一個，那它當(dāng)然就待在這個上面。假如基態(tài)有多個，也就是說有多個狀態(tài)具有相同的能量，但都是最低的能量，那就有意思了。我們把這種情況稱為基態(tài)簡并（degeneracy），這時體系可以待在任何一個基態(tài)上面。

實際上，本書的第二章當(dāng)中，已經(jīng)講了一個這樣的例子。對一個彈性桿，從兩頭向內(nèi)壓縮，會發(fā)生什么呢？當(dāng)壓力比較小的時候，這個桿只縮短不彎曲。而當(dāng)壓力比較大的時候，這個桿就會發(fā)生彎曲。

彈性桿的彎曲（《對稱與不對稱》圖2.1）

向哪個方向彎曲呢？這跟桿的截面形狀有很大關(guān)系。如果截面是一個圓，那么所有方向都是一樣的，沒有一個特殊的方向，桿可以向任何一個方向彎曲。如果截面是一個矩形，那么就有兩個方向是特殊的，桿會向這兩個方向中的某一個彎曲。如果截面完全沒有對稱性，那么桿就只會向一個能量最低的方向彎曲。你看，這就是一個基態(tài)簡并的例子，只不過書里沒有寫出這個詞。

在基態(tài)簡并的情況下，如果你只待在一個基態(tài)上看，那就是不對稱的。但如果你看所有的基態(tài)這個整體，那就是對稱的。實際上，所有的基態(tài)組成的集合，必然跟這個體系的物理規(guī)律具有相同的對稱性。

對此一個著名的演示，叫做“墨西哥帽子”（Mexican hat）。這種帽子的帽檐翹起來，形成一道環(huán)形的溝。如果一個球落到墨西哥帽子上面，那么它的基態(tài)就是待在這道溝里的某一點。任何一點都是可行的，而這些基態(tài)的整體具有圓的對稱性。

真空的墨西哥帽子能量結(jié)構(gòu)（戴瑾提供）

這個圖來自我的朋友戴瑾博士。

戴瑾

戴瑾2020年出版了一本科普著作《從零開始讀懂量子力學(xué)》，我也為此書寫過推薦詞，這就是書中的一個圖。

《從零開始讀懂量子力學(xué)》

1985年，戴瑾通過李政道先生組織的CUSPEA（全稱是China-U.S. Physics Examination and Application，中美聯(lián)合培養(yǎng)物理類研究生項目）到美國留學(xué)。很多人可能聽說過，CUSPEA也是李政道先生對中國科技界的重大貢獻之一。從1979年到1988年，CUSPEA共選拔了915人赴美深造，其中包括我的科大師兄文小剛等人。

著名理論物理學(xué)家文小剛

這件事其實完全出自李政道的愛國熱情，是他用個人名義不斷地向美國各個著名大學(xué)寫信、打電話促成的。李政道和夫人秦惠?為此付出了極大的心血，例如他們親自去四處寫信寄信，甚至把家附近的郵箱都填滿了，不得不推著手推車去更遠的郵箱。這樣的赤子之心，真是令人非常感動。

讓我們回到墨西哥帽子。真空激發(fā)理論實際的意思，就是真空的能量結(jié)構(gòu)好比這么一頂墨西哥帽子。我們平時見到的真空，就好比帽檐上的一點，它是不對稱的。但如果通過提高溫度或粒子密度等方法，把勢能的形狀從墨西哥帽子變成一個開口向上的桶，桶底是一個穩(wěn)定的基態(tài)，那么就恢復(fù)了旋轉(zhuǎn)對稱性。假如這得到了實驗驗證，就對宇稱不守恒等現(xiàn)象給出了解釋。

好，以上這些是宇稱不守恒的后續(xù)發(fā)展。如果你理解到這個層面，你的知識水平就超過了99.99%的人。

介紹完了李政道先生的科學(xué)成就，我們來談其他一些有趣的話題。李政道先生熱愛藝術(shù)，此書中舉了很多跟藝術(shù)家唱和的例子。其中的基本思想，就是此書再版序言中說的：“對稱展示宇宙之美，不對稱生成宇宙之實?！?/p>

《對稱與不對稱》再版序

這話的意思是，描述自然界的基本理論往往是對稱的，而實際發(fā)生的現(xiàn)象卻往往是不對稱的。例如，正物質(zhì)跟反物質(zhì)在基本理論的層面是對稱的。但現(xiàn)實的宇宙中，正物質(zhì)比反物質(zhì)多得多。假如正反物質(zhì)一樣多，它們就會湮滅殆盡，就不會有日月星辰、地球、人類等等的存在了。為什么正物質(zhì)比反物質(zhì)多？我們目前還不知道，這是非常耐人尋味的。

在藝術(shù)當(dāng)中，也有類似的情況。對稱是美的，但如果完全對稱，又會讓人感到乏味甚至丑陋。書中舉了這樣一個例子：明末清初的畫家弘仁（1610 — 1664）有一幅名作《天都峰圖》，看起來十分接近左右對稱。這非常好，給人美的享受。但假如把這幅名作改造一下，變成完全左右對稱的，那就糟了，甚至還有點陰森森的，像黑勢力的巢穴。

弘仁的山水畫《天都峰圖》與其對稱化結(jié)果的比較（《對稱與不對稱》圖3.1）

請注意，李政道先生的原話就是，“像黑勢力的巢穴”！這不禁令我大笑，想起了《魔戒》中索倫的根據(jù)地魔多。假如在這幅圖上再添個索倫的巨眼，那就更傳神了！

索倫之眼

因此，最好的藝術(shù)就是基本對稱，但又有一些不對稱。書中舉了兩個例子，來自著名畫家常沙娜和吳冠中，請大家欣賞。

常沙娜的畫“水邊鐵花兩三枝，似對稱而不對稱”（《對稱與不對稱》圖5.3）

吳冠中的畫“對稱乎，未必，且看柳與影子（《對稱與不對稱》圖5.4）

最近，我在網(wǎng)上還看到一幅有趣的照片。乍看起來它是一個小姑娘騎自行車經(jīng)過一潭水，天光云影共徘徊，好像《千與千尋》的意境。但倒過來一看，剛才你以為的倒影變成了實像，實像變成了倒影，恍然令人不知身在何處，不知今夕何夕。

倒過來看看

李政道先生自己也有一個有趣的發(fā)現(xiàn)：“左右”兩字是不對稱的，但其實它們本來是對稱的！1994年，他在參觀西安博物館的時候看到，漢代竹簡上的“右”字不是現(xiàn)在的寫法，而是“左”字的鏡像。原來左右兩字也曾經(jīng)有過一個自發(fā)對稱破缺！于是他寫了這樣一首詩：

“漢代右系鏡中左，

近日反而寫為右；

左右兩字不對稱，

宇稱守恒也不準(zhǔn)?！?/p>

漢代竹簡上的“右”字是“左”字的鏡像（《對稱與不對稱》第五章）

李政道先生對中國科技界的貢獻，除了前面說的CUSPEA，還有很多。擇其大者，至少包括：花極大的精力回國講課，幫助當(dāng)時封閉落后的中國物理學(xué)界跟上時代；促成科大少年班的建立；幫助建設(shè)北京正負電子對撞機，持續(xù)為中國高能物理的發(fā)展提供戰(zhàn)略指導(dǎo)；建議設(shè)置博士后制度和國家自然科學(xué)基金制度等等。是的，很多我們習(xí)以為常的東西，其實都是李先生倡議的！這正是偉大人物的特征之一：他為我們做的，我們?nèi)沼枚恢?/p>

李政道陪同鄧小平視察中國科學(xué)院

李政道在中國博士后科學(xué)基金會成立大會上

最后，我想談一些我和李政道先生的個人聯(lián)系。首先當(dāng)然是我的博士后導(dǎo)師，李中漢教授。很遺憾我沒有和他合過影，不過我在康奈爾大學(xué)有兩位博士后導(dǎo)師，另一位是1981年諾貝爾化學(xué)獎得主Roald Hoffmann教授，在Roald組里我們有合影。

袁嵐峰在康奈爾大學(xué)Roald Hoffmann研究組的合影

我2001年剛到美國的時候，就是李中漢老師親自到飛機場接的我。我非常驚訝，因為去之前說的是他組里的一位博士后來接我，見面時怎么變成了導(dǎo)師自己？他說是因為這位博士后有事來不了，于是他就自己開車來了。

他帶給我的下一個消息是，他們幫我找的房子還沒有找好，于是他決定讓我到他家里先住幾天。我暈倒！不過現(xiàn)在想起來，還是非常感謝李老師，他就是這樣一個熱心助人、心直口快的人。我給父母報平安的電話，也是到了李老師家里后打的。

很不巧，過不久李中漢老師就生了病。他的哥哥李中清（James Lee）來看望他，所以我們見到了他們兄弟倆。李中清老師是歷史學(xué)家、社會學(xué)家，當(dāng)時他在加州理工學(xué)院工作，現(xiàn)在他擔(dān)任香港科技大學(xué)人文與社會科學(xué)學(xué)院講席教授。

李政道與長子李中清

李中清在上海交通大學(xué)人文學(xué)院的報告上展示李政道的西南聯(lián)大學(xué)生證這兄弟倆一個是化學(xué)家，一個是歷史學(xué)家。他們都沒有選擇物理專業(yè)，原因顯而易見：有他們的父親在前面，壓力太大。不過他們還是義無反顧地選擇了學(xué)術(shù)道路，而且都取得了很大的成功，令人肅然起敬。

這事的難度就好比愛因斯坦的兒子漢斯·阿爾伯特·愛因斯坦（Hans Albert Einstein，1904 — 1973）通過艱辛的努力，成為加州大學(xué)伯克利分校水利工程學(xué)教授。有一個泥沙運動力學(xué)的經(jīng)典方法，叫做“愛因斯坦—錢寧方法”。錢寧就是小愛因斯坦的學(xué)生，他是中國水利泥沙研究的宗師。

漢斯·阿爾伯特·愛因斯坦

錢寧

李中漢老師跟我講過一個故事。他和他哥哥小時候問父親：如果我們兄弟倆真的很笨，那該怎么辦？李政道先生的回答是：你們可以去當(dāng)牧師。

這個故事令我大笑。實際上，《對稱與不對稱》也有一個地方提到了牧師。第15章的第一句話就是：“每當(dāng)提出一種新加速器計劃時，總要請理論物理學(xué)家，像高級牧師一樣去為耗費如此巨大的冒險辯護和祝福?！庇纱丝梢钥闯隼钫老壬鷮ψ诮痰膽B(tài)度！

理論物理學(xué)家與高級牧師（《對稱與不對稱》第15章）

李中漢老師還告訴我們，他父親退休以后，仍然繼續(xù)研究物理。他和另一位哥倫比亞大學(xué)的退休教授合作，每周還見面一次討論工作。這真是非常符合他經(jīng)常引用的杜甫的詩：“細推物理須行樂，何用浮名絆此身?！?/p>

細推物理須行樂，何用浮名絆此身

在李政道先生去世后，我想起了恩格斯《在馬克思墓前的講話》中的名言：“這位巨人逝世以后所形成的空白，不久就會使人感覺到。”然而，仍然有些網(wǎng)民在講一些自以為睿智的話，吹毛求疵，凸顯自己的狹隘與無知。

一些網(wǎng)民的評論

不過，絕大多數(shù)人都對李先生表示出了尊敬與緬懷。

大多數(shù)網(wǎng)民的評論

我以前經(jīng)常講，外國的年輕科學(xué)家如果發(fā)現(xiàn)楊振寧和李政道還在世，可能會大吃一驚，因為在他們看來，這兩位1957年就獲得諾貝爾獎的、教科書上的人物，似乎應(yīng)該是上一個時代的人?，F(xiàn)在這個時代結(jié)束了，李政道先生心心念念的努力已經(jīng)結(jié)出了碩果。中國已經(jīng)擺脫了積貧積弱，強盛起來，科學(xué)事業(yè)還需要我們更多的投入。李政道先生已經(jīng)度過了偉大的一生，細推物理須行樂，何用浮名絆此身。

作者簡介：袁嵐峰，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心副研究員，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科技傳播系副主任，科技與戰(zhàn)略風(fēng)云學(xué)會會長，安徽省科學(xué)技術(shù)協(xié)會常務(wù)委員，中國青少年新媒體協(xié)會常務(wù)理事，中國科普作家協(xié)會理事，中國物理學(xué)會科普工作委員會委員，中國化學(xué)會科普工作委員會委員，入選“典贊·2018科普中國”十大科學(xué)傳播人物。