宇称不守恒，家国永相随——纪念李政道先生 | 袁岚峰

2024年8月5日，中国最早的诺贝尔奖获得者李政道先生去世，享年98岁。为了纪念这位伟大的科学家，2024年8月7日上午10:30 - 12:30，由中国科学技术大学副研究员@中科大胡不归 邀请与主持，中国科学院理论物理所研究员@何老科普 何祚庥院士、CUSPEA学者@物理博士看天下 戴瑾博士与中国科学技术大学近代物理系教授@King_of_Group 王群博士参与，在微博进行了“宇称不守恒，家国永相随——纪念李政道先生”的直播（https://weibo.com/3710258141/Or4jZFShi），从多个角度详细介绍了李政道先生对科学与对国家的贡献。现场观众超过30万人次，后续观看回放的观众也将近20万人次，总和超过50万人次。大多数直播在结束后很少有人看回放，而本次直播观看回放的比例如此之高，充分表明大家对李政道先生的敬仰与关心。

由于何祚庥院士已经97岁了，上线需要现场技术人员支持。在何祚庥院士上线之前，王群教授作为粒子物理专家、李政道先生的同行，简要介绍了李政道先生的科学成就。李政道先生最主要的代表作，是 1956 年在 《Physical Review》（物理评论）杂志发表的一篇提出在弱相互作用中宇称有可能破坏的文章，和杨振宁先生合著。由这篇文章，李政道先生建议哥伦比亚大学的同事吴健雄博士带领一个小组做实验，在1957年1月验证了他们的猜想，即在弱相互作用中宇称是破坏的。因此，1957年诺贝尔物理学奖被颁发给了李政道和杨振宁。

然后，戴瑾博士作为资深科普作家，稍微详细地科普了宇称的概念背景。宇称讲的是镜像反射的对称性，比如我们的左右手看着是一样的，但实际上它们不能重合，它们之间就是镜像的关系。如果你尝试把左右手重合起来，比如说拇指贴拇指，手心对手心，你就会发现，无论你怎么移动，它们都是无法重合的。三维空间就有这么一个特性，就是有些左边的东西和右边的东西看着是一样的，但它们不能重合。

重点在于，大家认为在自然界中，左边的现象和右边的现象同样有可能。比如说你造得出一只右手的手套，那么你同样就可以做出一只左手的手套。比如说一个粒子在往一个方向离我们远去，它可能有自转，那是顺时针转还是逆时针转？这个可能性应该都存在。再比如说一个原子核自旋时可能会产生贝塔衰变（β decay），这个贝塔衰变只射出一个电子，那么这个电子偏上和偏下的可能性应该一样的。因为截个平面，做个镜像反射，这个粒子的旋转方向就会反向。如果这个电子射出的方向跟粒子正转反转有关，那么宇宙就是左右不对称的。在李政道和杨振宁的研究之前，大家的认知都是，世界是左右对称、左右平等的，物理规律是左右对称的。无论是左手坐标系还是右手坐标系，物理规律写出来都是一样的，上帝不是左撇子——大家认为这是毫无疑问的。

这种对称性是日常生活中的直观理解，但量子力学里有一个更深入的、让人吃惊的表述：量子力学认为每有一个这种对称性，就有一个物理量是守恒的。例如时间平移的对称性，就导致能量守恒。空间平移的对称性，就导致动量守恒。左右对称性导致一个守恒的物理量，就叫宇称。它跟能量有个区别，能量是个实数，大大小小都可以，而宇称因为是镜面反射，两次反射就回来了，所以它就只有两个取值，一个是正一个是负。所以宇称就是说一个粒子有那么一个量，可能是正的，可能是负的。那什么叫宇称守恒呢？比如一个粒子分成两个粒子了，那一个宇称为正的粒子可以分成两个正的宇称粒子，或者分成两个负的宇称粒子，因为负负得正。如果是一正一负，那就不守恒了。之前的认知是自然界是左右对称的，所以量子物理学界一直认为宇称是守恒的。

当时杨振宁先生、李政道先生发现了有两个粒子（θ粒子和τ粒子），别的都一样，只有一点区别，就是一个宇称是正的，一个宇称是负的。为什么一个正、一个负呢？因为它们产生的来源不同。

所以最后杨先生、李先生就发了一篇论文，说这两个粒子其实就是一个粒子，只不过因为自然界中宇称是不守恒的，所以你认为它是两个粒子。事实上上帝就是一个左撇子，弱相互作用中左右不仅是不对称的，而且是最大程度的不对称的，这个结果颠覆了人类的认知。

这时何祚庥院士上线了。何祚庥院士夫人、91岁的中国科学院理论物理研究所研究员庆承瑞老师一边为何祚庥院士作翻译（因为他的听力问题，别人说什么他听不清楚），一边再次对宇称不守恒做了一番科普。

何祚庥院士生于1927年，只比李政道先生小9个月。作为李政道先生的同辈朋友，何祚庥院士详细介绍了他和李政道先生的交往，分为两部分，一部分是没见面的交往，一部分是后来真正见面的交往。

过去李政道他们做宇称不守恒的时候，何院士在中国，李政道先生在美国，那时两人有一点间接的交往，通过何院士的表姐王承书院士和表姐夫张文裕院士（中国宇宙线科学的开创者）。张文裕在西南联大讲过课，是杨振宁先生的老师。但李政道是后来的，没有听过张文裕讲课。1957年获得诺贝尔奖时，张文裕作为中国科学家的代表去瑞典斯德哥尔摩看望了李政道和杨振宁。何祚庥在上学的时候，就听说过杨振宁的学习成绩特别优秀。他通过张文裕认识了杨振宁，通过杨振宁认识了李政道（后者比前者小4岁）。

关于宇称不守恒的发现过程，何祚庥院士认为，李政道先想到了奇异粒子中宇称不守恒，杨振宁提议推广到所有弱相互作用中都不守恒。两人的贡献都很大，应该称为并列第一。

关于李政道先生赴美留学的历史背景，何院士解释道，当年国民党蒋介石的政府看见美国爆炸了第一颗原子弹以后，也想在中国做原子弹，于是派了一个代表团去美国学习，这其中大部分都是他们的老师一辈，比如赵忠尧（物理）、华罗庚（数学）、曾昭抡（化学）……理论物理对应的老师是吴大猷，他后来是台湾中央研究院的院长，当时是理论物理学教授，都在西南联大工作。那个时候除了要有大的一代人要去，还应该带一些年轻人去。于是每个教授都找了相应的年轻人，吴大猷看中了李政道，所以后来他们就赴美了。

何祚庥院士现在的单位，中国科学院理论物理研究所，是 1978 年成立的。当时邓小平是国务院副总理，在1978年3月18号召开了一个全国科学大会，邓小平自己做报告，讲的是科学技术是生产力，知识分子是工人阶级一部分。开了这个科学大会以后，就关注一个问题，不只要给一点理论，还要问今后干些什么。

干些什么呢？那个时候在方毅的主持下，搞了一个八年的规划会议。何院士在介入这个规划会议的时候提出了一大问题，他认为理论物理学家对国家的科技发展有大贡献的，首先还不是层子模型（何祚庥在六十年代参与过的基本粒子研究，包括朱洪元、胡宁、刘耀阳等人，相当于国外的夸克模型），而是在后期里面有重大贡献。这一点在会上只有何祚庥知道，为什么呢？

邓小平当年是国务院副总理，他只管科学院、管文教，所以请的与会人员都是科技界、教育界，没有国防部门的人，而搞核武器的人全在国防部门。邓稼先没有到会，周光召也没有到会，于敏也不在会上，但是真正大贡献是在这些人。那个时候国家搞核武器，动员理论物理学家支援更重要，所以把他们这一批最优秀的几个师兄弟都推荐过去了。何院士认为国家再要有大事情的话，理论物理就没有人了，所以必须要成立一个理论物理研究所，再重新培养一支理论队伍。

这个想法得到了很多人支持，所以这个意见就报到方毅同志那去了。建议成立理论物理研究所的报告，要给邓副总理批准。这个报告送上去了以后，因为是中国科学院改革开放以后第一个新成立的研究所，邓小平对此非常重视，完全同意了。后来中国科学院成立了好多研究所，不过这些研究所都没有经过邓小平批准同意，因为这些只要中国科学院通过就可以了。只不过理论物理研究所成立时是改革开放以后，科学院觉得首先要发展理论这个事情最好请示一下国务院，就报到了邓小平那儿。邓小平批准同意后，理论物理研究所就这么成立了，这就是简单的历史过程。

理论物理研究所的所长是彭桓武先生，何祚庥是副所长，但彭桓武先生是1915年生的，当时已经73岁了。他在理论物理所的大会上说，他办这个所的办法就是，一切大权交给何祚庥。

李政道先生对理论物理研究所的工作非常支持。李政道先生1979年回国讲学时，何院士就向李政道先生寻求建议。李政道先生就请何院士到美国去转一圈，从北京出发，先到西部，由西部到东部，一路走过去，他去联系美国大学理论物理的各种研究单位，看看能不能到他们各个单位去访问一遍。

当时何院士对美国地理毫无概念，李政道先生就从西部到东部画了一个完整的路线图，包含沿途的学校，一共三个月时间。当时代表团的五个人（何祚庥、戴元本、郝柏林、郭汉英等人，戴元本就是戴瑾的父亲）从东到西在美国转了一圈，最后到最东部的纽约州立大学石溪分校见了杨振宁。所有行程路线都是李政道先生安排的，他一个电话过去所有都照办，待几天都照办，而且都是主要的负责人出来招待，让人特别感动。

袁岚峰指出，尤其令人感动的一点是，最后一站是访问杨振宁。虽然李政道和杨振宁关系不好，但他们在为国家出力上是一致的。李政道还是会介绍你们去拜访杨振宁，杨振宁也热情地招待了你们。庆承瑞说，他们在国家的事情上都是互相补台，而不是拆台。

后来的重大事件，就是邓小平批准建造北京正负电子对撞机（BEPC）。李政道先生在选型时做出了很大贡献，他建议做一个小的，花的钱比较少，但也花费了2.2亿。李政道先生还帮忙请来了一个美国的大顾问，叫做潘诺夫斯基（Wolfgang K. H. Panofsky，1919 — 2007），著名的加速器专家。庆承瑞老师说，当时中国科学院高能物理研究所的人开玩笑，把李政道称为李政委，把潘诺夫斯基称为潘司令。

关于李政道先生的个人生活，他把以前他们家族在上海的一个私宅捐给了上海市。那个私宅现在的价值可能已经三四亿了，他二话没说就捐出去了。李政道先生觉得他这一生很幸运，社会对他不薄，他应该回馈社会。

还有一件事反映了李政道先生的性格。1974 年他在上海考察了一些学校，觉得那时候中国的教育都中断了，对此感到很忧心，他就想让国家重视起来。正好上海市请他到芭蕾舞学校参观，芭蕾舞学校培养芭蕾舞演员是从小就开始的。他就受了启发，回来以后给周总理写了一封信。他说芭蕾舞学校是一个国家科技人才培养模式的好例子，这个信就是说要从小培养基础科学人才，实际上就是少年班的雏形。这个倡议在1978年之后被邓小平副总理采纳。然后当时的中国科学院长方毅建议中国科学技术大学成立少年班，实现了这个李政道先生的愿望。

何祚庥院士讲完这些故事后，下线休息。戴瑾是中国科学院理论物理研究所戴元本院士的儿子，从小就跟何祚庥院士住在同一个院子里，1985年从北京大学考CUSPEA（China-U.S. Physics Examination and Application，中美联合培养物理类研究生计划）到美国留学。他介绍了CUSPEA的故事。

CUSPEA项目的学生是拿美国学校资助的。现在咱们打工的一个月工资很多人都上万，甚至两万、三万、好几万的都有。但是在八十年代初期，有个词叫“万元户”，那时候就相当于现在的大富翁，家里有1万块钱存款，就是大富翁。而当时到美国去留学一年的费用，如果要交学费的话，2万美金可能都不一定够，免学费也至少得大几千美金。国家也很穷，国家公派，可能派出两个月，每月给到的钱，对国家都是很大的钱，出国的老师们都得省吃俭用，一点点一分钱地抠才能省出来。CUSPEA项目所有的学生都得到了美方的资助，学费全免，每年每月给生活费，这个事情解决了很大一部分学子的后顾之忧。那个时候自费留学根本就是不可想象的，那时候中国太穷了。

李先生做成这个事儿当然是功劳很大的。他跟美国各个学校讲，你们需不需要高素质的学生？中国有高素质的学生。搞研究的老师是需要学生的，当然学生需要求学，老师也需要学生帮着分担研究工作，帮着干活，所以各个学校是欢迎好的学生的。CUSPEA从第一届开始，师兄们都已经建立了中国学生的名声了，所以等戴瑾那一届（第五届），他的导师Joseph Polchinski（在物理学界当时是年轻老师，后来就成了大师级的人物了）很吃惊地说：“你们中国怎么来了这么多优秀的学生啊？”

这件事能做成的背景，一个是李先生在美国物理学界巨大的影响力、号召力，另外一个背景就是那个时候美国硅谷的信息产业起来了。物理学这种基础科学相对最难学，但其实赚钱偏少，工作还不见得是最好找的，美国学生已经不愿意学了。

所以美国一旦开了这个口子，中国学生进来，那么以后从赚钱少到赚钱多的行业就被中国学生一个个攻破了。CUSPEA几届学生出去后建立了中国学生的一个名声，这当然也是李先生、杨先生建立的。首先物理学界不相信中国人智商差，因为有李先生、杨先生在那摆着。然后再看中国的一届届学生，至少基础是好的。在国内大学基础知识打得好，基本训练好，人又勤奋。美国参加CUSPEA的学校都是美国最优秀的学校，80所大学，那么中国学生的名声就在这些美国学校立起来了。

后来慢慢大家就是自己去联系资助，自费留学。在八十年代、九十年代初，基本还是依靠美国学校的一些资助。中国学生到美国留学的大门一下子从CUSPEA开始就打开了，而且还不仅仅限于物理等基础科学。

对年轻一代的培养，不管是李先生还是杨先生，都付出了巨大的努力。为了CUSPEA，当然李政道先生本人的影响力绝对在美国是起主要作用的，但是所有的具体工作，一步一步都是李先生和他的夫人秦惠䇹亲自动手，还有他的秘书，那个工作量之大难以想象。因为它要符合美国的很多法律条件的一些要求，所以不是很容易的，不是李政道先生一句话这个问题就解决了。下面有很多具体的工作，都是李先生他们一家，包括后来CUSPEA的学生，第一届CUSPEA的学生也起了作用，很多事情他们都参与了。那时候没有Email，不能群发邮件，那时候信要一封一封地写，一封一封地发。

袁岚峰说，李政道先生和他夫人秦惠䇹女士为了这个事情付出了巨大的心血，因为所有的这些信件都是他们自己亲自写，然后亲自去发，整天推着个手推车到邮箱里面去投信，甚至把家里附近的邮箱都给塞满了。然后就只好走到更远的邮箱去送，以至于当地的邮局都来抗议。

李政道先生好像说这个有一段时间甚至占了他 1/ 3 的精力。他把这个看成了比自己的研究更加重要的事情，让人特别感动。但是这么好的事情，当时居然还有人反对，说这个是人才外流，把人都送到美国去了，说引进资本主义……各种各样的反对声音还挺高。李政道先生只好趁回国的时候，当面见了方毅副总理来反映这个情况，最后是邓小平来拍板说CUSPEA是个好事，这样才建立起来。所以这个事情能够坚持下来，李先生是付出了巨大的心血的。

戴瑾说，CUSPEA团体一共接近1000人，有970多人，这些人中大致有 20% 的人在做学术，包括物理界，可能还有其他的行业，在做老师、做科研。然后还有很多人出去创业。有更多的人是在做应用、做工程，这当然现在也是国家需要的东西。其中做企业的最有名的可能是张朝阳，搜狐的老板。他现在在网上教物理课，又回归了老本行。

袁岚峰说，张朝阳作为一个大企业的创始人，现在回归本心，非常热心地做科普，他自己做，然后也非常欢迎别人到他那里去做，这是非常难得的。如果我们像这样的企业多一点，对社会应该是有很大好处的。至于说做科研的人，比方说文小刚，他现在是非常著名的理论物理学家。他可能算是比较少有的理论物理专业出去，然后持续不断地在搞理论物理研究并取得了很大的成果的人，因为大部分搞这个的人最后都转行了，理论物理这一行实在太难搞。戴博士提到CUSPEA的学生有三种发展方向，一种是做科研的，一种做企业创业的，一种是搞芯片，实际上这也正是戴博士自己走过的道路。他一开始是跟导师（前面说的Joseph Polchinski）做超弦的研究，后来自己回国之后也创过业，然后现在就是做芯片的研究，确实正是我们国家非常需要的。

然后，王群教授作为粒子物理专家，讲了李政道先生在宇称不守恒之后的研究。李先生倡导了一个原子核与原子核相碰的加速器，叫做RHIC（相对论性重离子对撞机，relativistic heavy ion collider），建在美国的布鲁克海文国家实验室。袁岚峰现场翻开李政道的科普书《对称与不对称》展示，在此书的图12.1。这个加速器现在还在运行，到2028年可能就关了，取代的有下一代的电子原子核碰撞的一个机器，也在布鲁克海文国家实验室。

为什么要建这个加速器？李先生在七十年代有一篇非常著名的论文，说如果把物质压缩到极致，它会发生相变。也就是说把物质质量的中心，即原子核（99%的原子的质量是集中在原子核上的），碰在一起，可以把原子核的核物质压缩得很紧很紧，它的密度就比原子核的密度还要高，能够达到十倍或者是二十倍。那么它就会发生相变，也就是说把这个原子核里的亚原子的粒子挤出来，然后形成一个比较大的火球。这就是构成原子核核子的一个基本意思，也就是说可以把物质压缩到极致，使得它发生相变，成为一种新的物态（袁岚峰解释，叫做夸克—胶子等离子体，quark-gluon plasma）。这是RHIC的一个主要的科学目标。

现在在这个世界上正在运行的两大原子核碰撞机器，一个是美国的RHIC，另外一个就是欧洲核子中心（CERN）的LHC（大型强子对撞机，large hadron collider）。RHIC完全是李先生的开创性的科学成就。他的物理动机实际上在七十年代发的一篇文章里就讨论了，就是如果把原子核压缩在非常小、非常小的空间里会发生什么？现在这个机器也一直在运行，它2028年要关，但是在欧洲核子中心的机器LHC有一个原子核和原子核碰撞的计划，它会持久地运行下去，可能还要运行 20 年。

在退休前大概十年，李先生专门在美国布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory，简称BNL）成立了一个RIKEN BNL research center，这是日本的RIKEN（理化学研究所）和美国的布鲁克海文国家实验室联合的研究中心。李先生是第一任研究中心的主任，他任了十年。王群教授的博士后导师是他的第一个博士后，也就是这个研究中心的第一个博士后。

王群教授认为，李先生在高能物理界最大的一个成就就是他发起的RHIC科学实验，这个实验非常重要，它是中美在高能物理中合作的一个非常成功的典范。在RHIC实验上活跃着很多华裔学者，他们取得了巨大的成就。这个实验是从2000年开始运行，现在已经运行了24年，到它的终点是2028年，就是说20多年，将近30年的运行，它出了非常多的科学成果。例如发现夸克-胶子等离子体，将来可能得诺贝尔奖。

袁岚峰说，很多人认为杨振宁先生可以得两次诺贝尔奖（另一次是因为提出杨-Mills规范场论），这样看来，其实李政道先生也可以得两次诺贝尔奖。杨先生的工作主要是在数学物理方面，李先生的工作主要是在实验粒子物理方面。

袁岚峰解释，RHIC实验的动机在李政道先生的科普书《对称与不对称》第12节中就有描述，他发现宇称不守恒之后还想继续探索宇称为什么不守恒。他提出了一个猜想，说有可能现在发现宇称不是守恒的，只是因为还没有考虑真空。他认为真空也是个介质，真空并不是空的。假如把粒子加上真空，可能它们整体还是守恒的。但是要检验这个，就需要做个实验，也就是这个相对论性重离子对撞的实验。

王群指出，这个实验最大的成果实际上是验证了李先生在七十年代的论文里的预言，它预言有相变，实验发现确实有相变。李先生在八十年代就提出了这个计划，后来经过了很漫长的一个建设期，2000年这个对撞机开始运行。当然在做实验时有很多出乎意料、非常新的一些成果，好多标志性的成果都是诺奖级的。

只有李先生这样粒子物理加统计物理的大师，才能想到这样的事情。因为这个是高能的凝聚态物理，实际上它是个多体物理，并不像粒子物理实验里都是少体物理，就是说粒子数很少。这个是两个原子核一碰，产生很多粒子。李先生当时请大画家李可染画了非常有名的一个图，叫《核子重如牛，对撞生新态》（见《对称与不对称》图12.3），这个就是为了RHIC的艺术创作。

王群指出，在重离子碰撞、核碰撞里，因为是多体问题，非常复杂，它的背景非常大，噪声也很大，要抽出一些信号来非常非常难，所以这个非常有挑战性。所以李先生最后的一个科学成就，在王群教授看来就是倡导和推动了RHIC实验。

最后，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员、科技传播系副主任袁岚峰介绍了自己跟李政道先生的交往。他并没有当面见过李先生，但是见过李先生的儿子，即他的博士后导师李中汉（Stephen Lee，康奈尔大学化学系教授），他是李政道的次子。李中汉教授生病时，他的哥哥即李政道的长子李中清（James Lee）教授来看望他，所以学生们都见到了这兄弟俩。李中清是历史学家、社会学家，当时在加州理工学院工作，现任香港科技大学讲席教授。

李中汉教授跟袁岚峰讲过很多关于李政道先生的事情，包括中国的博士后制度、国家自然科学基金委制度都是李政道先生向邓小平建议的。其实以前很多制度都不存在，就是因为有这些老前辈科学家向国家领导人提议才出现。这正是伟大人物的特点之一：他们的成果，我们日用而不知。

2021年，李政道的科普代表作《对称与不对称》重新出版，在上海交通大学李政道图书馆举行了一场隆重的发布仪式。袁岚峰做了一个报告《物理学与美学的顶峰相遇——李政道先生思想的星辰之光》，并现场回答了上海交大同学们的问题。

出人意料的是，李先生后来竟发来贺年片表示感谢（见细推物理须行乐，何用浮名绊此身——纪念李政道先生 | 袁岚峰）。袁岚峰在直播中现场展示了李政道先生的贺年片。

中国科学技术大学正在建设合肥先进光源（Hefei Advanced Light Facility，简称HALF），不久前庆祝了开工一周年。实际上，合肥先进光源的题词就是李政道先生写的（见https://news.ustc.edu.cn/info/1055/88577.htm），在2023年9月，令人非常感动。

本次直播得到了微博的大力推荐，诸位老师也付出了很大的努力。王群教授原本并没有微博，因为受到袁岚峰博士的邀请，专门为此注册了微博@King_of_Group。戴瑾博士虽然开微博已经很久，但从来没有露过脸，这次也是为了李政道先生参加了直播。何祚庥院士更是已经97岁高龄了，这几天接受了很多采访。袁岚峰打电话找他时，他一上来就说：是为了李政道的事吧？好的，我可以参加。

本次直播的热度，充分反映了公众对科学的兴趣与热情。感谢诸位观众，微博将与科技界人士紧密合作，推出更多有价值的科普活动。