李政道與天文學：一位粒子物理學家的天文往事
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“當年費米收我做博士論文，我想做粒子物理理論，費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。天體物理學博士論文完成后，錢德拉告訴我天體物理學沒有前途，要我去做流體力學。流體物理做了一陣子，林家翹又對我說流體力學沒有前途，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）
1949年，雖然在科學史上或許是平淡無奇的一年，但對于芝加哥大學正著手畢業(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)半世紀后風靡一時的青春傷痕類文學演繹，彼時的李政道先生大概率會四十五度角仰望天空，讓自己的迷惘逆流成河。
李政道（1926-），1957年諾貝爾物理學獎得主，著名粒子物理學家。
費米（Enrico Fermi, 1901-1954），1939年諾貝爾物理學獎得主，理論物理學和實驗物理學泰斗。
圖1左：李政道手持費米教授與他合作制作的專用計算主序星內(nèi)部溫度的計算尺，攝于1948年。
圖1右：李政道的博士生導師費米，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，他煩惱的重點是自己心心念念準備大展一番身手的領(lǐng)域，卻被他的博士生導師、名滿天下的物理學泰斗費米教授（圖1右）兜頭潑了一桶涼水。費米告訴他，基本粒子理論已然窮途末路。彼時的費米教授不僅是粒子物理領(lǐng)域的權(quán)威，同時涉獵廣泛，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，幼年間，李政道就曾拜讀過著名天體物理學家愛丁頓的大作《膨脹的宇宙》，也覺得這個領(lǐng)域很是有趣。
圖2：葉凱士天文臺，始建于1897年，由芝加哥大學管理、企業(yè)家葉凱士出資建造的私立天文臺，內(nèi)有一米直徑的折射天文望遠鏡，是現(xiàn)代天文學的搖籃[1]。
當時芝加哥大學的天文和天體物理學系位于葉凱士天文臺（圖2）。這里是現(xiàn)代天文學的搖籃，高手云集。比如，因致密星理論而廣為人知的錢德拉塞卡（后簡稱錢德拉）教授就工作于此。不過那個時候，距離錢德拉將諾貝爾物理學獎收歸囊中還有逾三十年的光陰，以他的名字命名的X射線望遠鏡半世紀后才得以發(fā)射，他甚至都還沒有拿到芝加哥大學的正教授職位。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生之一。兩個在不同領(lǐng)域發(fā)光發(fā)熱的諾貝爾獎得主，人生軌跡宿命般地短暫交匯。
錢德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar，1910-1995），1983年諾貝爾物理學獎得主。研究領(lǐng)域廣泛，在天體物理和流體力學領(lǐng)域貢獻卓著。
圖3左為錢德拉塞卡教授，圖3右為以錢德拉命名的X射線望遠鏡的藝術(shù)圖。
也許是由于導師費米的一番肺腑之言，也許是錢德拉教授講授天體演化著實引人入勝，當然更有可能是李政道先生自幼就對宇宙天體心向往之，他最終將天體物理學中的白矮星，作為自己博士論文的選題。
白矮星，一個謎一樣的天體。一個“矮”字道盡了它的突出屬性——身材嬌小且異常敦實，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，大小與地球相當，兩個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世紀上半葉的天體物理學家們一度對這種神奇的天體愛恨交加。
一顆質(zhì)量與太陽相當?shù)陌装牵瑓s只有地球大小，這很不可思議（例如天狼星B，圖4）。根據(jù)當時的主流觀點，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，形成致密星體。不過，這一過程中必將釋放出巨大的引力勢。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下免遭荼毒，繼續(xù)做一個黯淡的小胖子呢？
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)，不至于被強大的引力勢擠壓地支離破碎，電子還是那個電子，原子核還是那個原子核。因此，早在1926年，天體物理學家Alfred Fowle等人就提出了利用電子簡并壓來平衡白矮星巨大引力壓的想法。20世紀30年代中期，錢德拉進一步修正了這一理論，并推導出了恒星演化中一個至關(guān)重要的概念——錢德拉塞卡極限，即在電子簡并壓下，白矮星能夠穩(wěn)定存在的質(zhì)量上限。不過，時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，推測白矮星的質(zhì)量上限不會超過1.44個太陽質(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，即使電子的簡并壓也無法平息重力塌縮，可能觸發(fā)整個星體的毀滅性爆炸。
對于富氫論的否定，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。1983年，錢德拉教授憑借白矮星理論摘得了諾貝爾物理學獎，這距離他最初完成這項推演恒星演化命運的工作已然過去了半個多世紀。
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。事實上，他確實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。
不過，19世紀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。大勢所趨，于是李政道再次改弦易轍，一頭扎進了流體力學的湍流中。
可惜在麻省理工學院，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領(lǐng)域的頂尖教授眼里，這一樣是一門沒有前途的學科。
林家翹（1916—2013），1936年從西南聯(lián)大考取庚子賠款留英公費生，后師從馮·卡門教授。主要研究包括流體力學的流動穩(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，應用數(shù)學領(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，他應該沒有猶豫太久，畢竟時值上世紀50年代，各種粒子加速器和探測器飛速發(fā)展，尤其是新建成的高能質(zhì)子加速器，帶來了大量激動人心的數(shù)據(jù)。面對新粒子物理的誘惑，連曾經(jīng)一力勸退李政道的導師費米，都把自己生命的最后幾年奉獻給了粒子物理。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。這個研究，也讓他收獲了1957年諾貝爾物理學獎。
對于這樣一段過往，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：當年費米收他做博士論文，他想做粒子物理理論，費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。天體物理學博士論文完成后，錢德拉告訴他天體物理學沒有前途，要他去做流體力學。流體物理做了一陣子，林家翹又對他說流體力學沒有前途，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海鏖戰(zhàn)，榮譽等身，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物理學的風口所向。早在20世紀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。實際屬于由費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)展成為宇宙學中的重要研究方向。
2018年，上海交通大學成立了李政道研究所，以天體物理學的各個前沿領(lǐng)域為主要研究方向。兜兜轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，那個對愛丁頓所著《膨脹的宇宙》興味盎然的少年，耄耋之年依然對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的一名學生時，曾師從束星北教授，這段經(jīng)歷為往后的求知歲月打下了堅實的物理基礎(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計劃（CUSPEA）， 十年間遴選了眾多優(yōu)秀學生前往美國名校交流學習，受惠者近千名。當年的這批青年學生，如今多成長為各個領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物。所謂傳承，大抵如此吧。
參考文獻：
[1]趙天池，李政道評傳，中國計劃出版社，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，《科學》1997年第6期
[6]李政道，《〈束星北檔案〉序言》
