李政道與天文學(xué)：一位粒子物理學(xué)家的天文往事
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“當(dāng)年費(fèi)米收我做博士論文，我想做粒子物理理論，費(fèi)米告訴我粒子物理沒有前途，要我做天體物理，我就去跟錢德拉做天體物理學(xué)。天體物理學(xué)博士論文完成后，錢德拉告訴我天體物理學(xué)沒有前途，要我去做流體力學(xué)。流體物理做了一陣子，林家翹又對(duì)我說流體力學(xué)沒有前途，所以我又回到了基本粒子物理?！?/span> ——李政道
撰文 | 鄭曉晨（清華大學(xué)）
1949年，雖然在科學(xué)史上或許是平淡無奇的一年，但對(duì)于芝加哥大學(xué)正著手畢業(yè)論文的李政道先生（圖1左）來說，卻是一段踟躕百結(jié)的歲月。
如果根據(jù)半世紀(jì)后風(fēng)靡一時(shí)的青春傷痕類文學(xué)演繹，彼時(shí)的李政道先生大概率會(huì)四十五度角仰望天空，讓自己的迷惘逆流成河。
李政道（1926-），1957年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主，著名粒子物理學(xué)家。
費(fèi)米（Enrico Fermi, 1901-1954），1939年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主，理論物理學(xué)和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)泰斗。
圖1左：李政道手持費(fèi)米教授與他合作制作的專用計(jì)算主序星內(nèi)部溫度的計(jì)算尺，攝于1948年。
圖1右：李政道的博士生導(dǎo)師費(fèi)米，攝于1940年。
不過，和大多數(shù)愁禿了頭、憂心能否如期畢業(yè)的研究生不同，他煩惱的重點(diǎn)是自己心心念念準(zhǔn)備大展一番身手的領(lǐng)域，卻被他的博士生導(dǎo)師、名滿天下的物理學(xué)泰斗費(fèi)米教授（圖1右）兜頭潑了一桶涼水。費(fèi)米告訴他，基本粒子理論已然窮途末路。彼時(shí)的費(fèi)米教授不僅是粒子物理領(lǐng)域的權(quán)威，同時(shí)涉獵廣泛，他建議李政道不妨試試天體物理，畢竟，廣闊天地、大有作為。其實(shí)，幼年間，李政道就曾拜讀過著名天體物理學(xué)家愛丁頓的大作《膨脹的宇宙》，也覺得這個(gè)領(lǐng)域很是有趣。
圖2：葉凱士天文臺(tái)，始建于1897年，由芝加哥大學(xué)管理、企業(yè)家葉凱士出資建造的私立天文臺(tái)，內(nèi)有一米直徑的折射天文望遠(yuǎn)鏡，是現(xiàn)代天文學(xué)的搖籃[1]。
當(dāng)時(shí)芝加哥大學(xué)的天文和天體物理學(xué)系位于葉凱士天文臺(tái)（圖2）。這里是現(xiàn)代天文學(xué)的搖籃，高手云集。比如，因致密星理論而廣為人知的錢德拉塞卡（后簡(jiǎn)稱錢德拉）教授就工作于此。不過那個(gè)時(shí)候，距離錢德拉將諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)收歸囊中還有逾三十年的光陰，以他的名字命名的X射線望遠(yuǎn)鏡半世紀(jì)后才得以發(fā)射，他甚至都還沒有拿到芝加哥大學(xué)的正教授職位。1948年伊始，錢德拉開始以助理教授的身份開課講授天體演化，李政道正是選修的學(xué)生之一。兩個(gè)在不同領(lǐng)域發(fā)光發(fā)熱的諾貝爾獎(jiǎng)得主，人生軌跡宿命般地短暫交匯。
錢德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar，1910-1995），1983年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主。研究領(lǐng)域廣泛，在天體物理和流體力學(xué)領(lǐng)域貢獻(xiàn)卓著。
圖3左為錢德拉塞卡教授，圖3右為以錢德拉命名的X射線望遠(yuǎn)鏡的藝術(shù)圖。
也許是由于導(dǎo)師費(fèi)米的一番肺腑之言，也許是錢德拉教授講授天體演化著實(shí)引人入勝，當(dāng)然更有可能是李政道先生自幼就對(duì)宇宙天體心向往之，他最終將天體物理學(xué)中的白矮星，作為自己博士論文的選題。
白矮星，一個(gè)謎一樣的天體。一個(gè)“矮”字道盡了它的突出屬性——身材嬌小且異常敦實(shí)，散發(fā)白光卻很微弱，在一眾“bling-bling”熠熠生輝的恒星中，很是不起眼。
圖4：天狼雙星系統(tǒng)（左），天狼星主星質(zhì)量約為2個(gè)太陽，其伴星天狼星B為發(fā)現(xiàn)最早的一顆白矮星，其質(zhì)量與太陽相當(dāng)，大小與地球相當(dāng)，兩個(gè)星體之間的距離約為太陽與天王星之間的距離。右圖為天狼星B的藝術(shù)圖。
就是這么一個(gè)又小又暗的天體，卻是大部分恒星歷經(jīng)千帆，喧囂褪去后的終極形態(tài)。不過這是后話，20世紀(jì)上半葉的天體物理學(xué)家們一度對(duì)這種神奇的天體愛恨交加。
一顆質(zhì)量與太陽相當(dāng)?shù)陌装?，卻只有地球大小，這很不可思議（例如天狼星B，圖4）。根據(jù)當(dāng)時(shí)的主流觀點(diǎn)，白矮星與其它星體一樣，脫胎于宇宙早期四處彌漫的氫原子云。這些氫原子在引力作用下聚集成團(tuán)，形成致密星體。不過，這一過程中必將釋放出巨大的引力勢(shì)。參考恒星的誕生，伴隨著氣體坍縮所觸發(fā)的是氫原子的核聚變。那如此致密的白矮星，又是如何在巨大引力勢(shì)下免遭荼毒，繼續(xù)做一個(gè)黯淡的小胖子呢？
不過，白矮星雖然密度很高，但在微觀尺度下，原子還是能夠維持自己的正常形態(tài)，不至于被強(qiáng)大的引力勢(shì)擠壓地支離破碎，電子還是那個(gè)電子，原子核還是那個(gè)原子核。因此，早在1926年，天體物理學(xué)家Alfred Fowle等人就提出了利用電子簡(jiǎn)并壓來平衡白矮星巨大引力壓的想法。20世紀(jì)30年代中期，錢德拉進(jìn)一步修正了這一理論，并推導(dǎo)出了恒星演化中一個(gè)至關(guān)重要的概念——錢德拉塞卡極限，即在電子簡(jiǎn)并壓下，白矮星能夠穩(wěn)定存在的質(zhì)量上限。不過，時(shí)值白矮星的富氫論甚囂塵上，若據(jù)此假設(shè)白矮星由純氫組成，則可推算出的白矮星質(zhì)量上限約為5.75個(gè)太陽質(zhì)量。
李政道選定白矮星作為自己的博士畢業(yè)論文課題后，參考并推廣了錢德拉和另一位天體物理學(xué)家馬夏克的理論，在自己的博士論文中，以《白矮星的氫含量和能量產(chǎn)生機(jī)制》為題，徹底否定了白矮星的富氫論，并建立了白矮星的氦原子組成模型，推測(cè)白矮星的質(zhì)量上限不會(huì)超過1.44個(gè)太陽質(zhì)量，也就是我們現(xiàn)在所熟知的錢德拉塞卡極限值。超過這一極限，即使電子的簡(jiǎn)并壓也無法平息重力塌縮，可能觸發(fā)整個(gè)星體的毀滅性爆炸。
對(duì)于富氫論的否定，無疑扯下了白矮星一直以來故弄玄虛的面紗。這片高懸于愛丁頓等一眾天體物理學(xué)家頭頂?shù)年幱埃瓉聿贿^是多數(shù)恒星歷經(jīng)氫燃燒成氦，氦燃燒成碳氧后的生命終點(diǎn)。1983年，錢德拉教授憑借白矮星理論摘得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，這距離他最初完成這項(xiàng)推演恒星演化命運(yùn)的工作已然過去了半個(gè)多世紀(jì)。
博士論文完成后，李政道繼續(xù)跟隨錢德拉教授從事博士后研究。他的打算是在白矮星領(lǐng)域深耕易耨。事實(shí)上，他確實(shí)就博士論文中探討的問題發(fā)表了一篇后續(xù)文章，探討白矮星內(nèi)部的氦反應(yīng)。
不過，19世紀(jì)50年代前后，湍流領(lǐng)域以極高的難度系數(shù)，吸引了不少數(shù)理高手前仆后繼，就連導(dǎo)師錢德拉也開始致力于研究星際空間磁流體方面的湍流問題。大勢(shì)所趨，于是李政道再次改弦易轍，一頭扎進(jìn)了流體力學(xué)的湍流中。
可惜在麻省理工學(xué)院，李政道遇到了湍流專家林家翹教授。他這才知道，原來在這位流體力學(xué)領(lǐng)域的頂尖教授眼里，這一樣是一門沒有前途的學(xué)科。
林家翹（1916—2013），1936年從西南聯(lián)大考取庚子賠款留英公費(fèi)生，后師從馮·卡門教授。主要研究包括流體力學(xué)的流動(dòng)穩(wěn)定性和湍流理論，天體物理的星系螺旋結(jié)構(gòu)密度波理論，應(yīng)用數(shù)學(xué)領(lǐng)域等。
圖5左：林家翹在演示盤狀星系的螺旋結(jié)構(gòu)。
圖5右：盤狀星系M81的多波段螺旋結(jié)構(gòu)圖。
不知彼時(shí)的李政道先生具體經(jīng)歷了幾番痛苦掙扎，輾轉(zhuǎn)反側(cè)。不過，他應(yīng)該沒有猶豫太久，畢竟時(shí)值上世紀(jì)50年代，各種粒子加速器和探測(cè)器飛速發(fā)展，尤其是新建成的高能質(zhì)子加速器，帶來了大量激動(dòng)人心的數(shù)據(jù)。面對(duì)新粒子物理的誘惑，連曾經(jīng)一力勸退李政道的導(dǎo)師費(fèi)米，都把自己生命的最后幾年奉獻(xiàn)給了粒子物理。不出意外，李政道再次投向了基本粒子物理的懷抱，這次回歸也奠定了他一生中最重要的成就——弱相互作用下宇稱不守恒理論。這個(gè)研究，也讓他收獲了1957年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
對(duì)于這樣一段過往，李政道先生曾在1986年林家翹教授70歲生日慶祝會(huì)上略帶調(diào)侃的總結(jié)了自己早年間的職業(yè)選擇困境：當(dāng)年費(fèi)米收他做博士論文，他想做粒子物理理論，費(fèi)米告訴他粒子物理沒有前途，要他做天體物理。于是，他就去跟錢德拉做天體物理學(xué)。天體物理學(xué)博士論文完成后，錢德拉告訴他天體物理學(xué)沒有前途，要他去做流體力學(xué)。流體物理做了一陣子，林家翹又對(duì)他說流體力學(xué)沒有前途，所以他又回到了基本粒子物理。
有意思的是，多年后，李政道先生成為了粒子物理的領(lǐng)軍人物，林家翹先生卻轉(zhuǎn)戰(zhàn)天體物理，創(chuàng)立了密度波理論， 提出了困擾天文界數(shù)十年之久的盤狀星系螺旋結(jié)構(gòu)纏卷難題的可能解決方案（圖5）。
如果故事就此打住，大概就是一碗不忘初心方得始終的勵(lì)志雞湯。
可世事往往就是這么的百轉(zhuǎn)千回，很多年后，李政道先生已然半生學(xué)海鏖戰(zhàn)，榮譽(yù)等身，相比于令他聲名鵲起的粒子物理，他的研究興趣更偏向微觀與宏觀相結(jié)合的領(lǐng)域。在他看來，包括宇宙起源的模擬、暗物質(zhì)、類星體能源等諸多天體物理問題或許將是新世紀(jì)物理學(xué)的風(fēng)口所向。早在20世紀(jì)80年代，李政道先生就已提出了孤子星的概念。所謂孤子星，本質(zhì)為一種冷的、穩(wěn)定的，理論上可能存在的大質(zhì)量致密星體。實(shí)際屬于由費(fèi)米子組成的夸克星范疇。作為暗物質(zhì)的最佳候選者，孤子星模型已發(fā)展成為宇宙學(xué)中的重要研究方向。
2018年，上海交通大學(xué)成立了李政道研究所，以天體物理學(xué)的各個(gè)前沿領(lǐng)域?yàn)橹饕芯糠较?。兜兜轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，那個(gè)對(duì)愛丁頓所著《膨脹的宇宙》興味盎然的少年，耄耋之年依然對(duì)頭頂這片星空難以忘懷。
題外話：早年間，李政道還是浙江大學(xué)的一名學(xué)生時(shí)，曾師從束星北教授，這段經(jīng)歷為往后的求知?dú)q月打下了堅(jiān)實(shí)的物理基礎(chǔ)。1946年，經(jīng)由吳大猷、葉企孫推薦，年僅19歲的李政道告別故土親朋，登上了開往舊金山的客船，這場(chǎng)際遇改變了他的一生。幾十年后，由李政道先生牽頭的中美聯(lián)合培養(yǎng)物理類研究生考試留學(xué)計(jì)劃（CUSPEA）， 十年間遴選了眾多優(yōu)秀學(xué)生前往美國(guó)名校交流學(xué)習(xí)，受惠者近千名。當(dāng)年的這批青年學(xué)生，如今多成長(zhǎng)為各個(gè)領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物。所謂傳承，大抵如此吧。
參考文獻(xiàn)：
[1]趙天池，李政道評(píng)傳，中國(guó)計(jì)劃出版社，2017
[2]李政道文集1999，柳懷祖編，浙江文藝出版社
[3]https://www.physics.sjtu.edu.cn/node/2045
[4]朱光亞，李政道物理生涯五十年
[5]李政道，1997，水、魚、魚市場(chǎng)，《科學(xué)》1997年第6期
[6]李政道，《〈束星北檔案〉序言》
