物理學(xué)黃金一代最年輕的費(fèi)米，點(diǎn)亮了李政道的物理學(xué)之路，而作為白銀時(shí)代最耀眼的天才，李政道給整整一代的中國(guó)科學(xué)家開(kāi)拓出一條學(xué)術(shù)大道。
在北半球冬季星空中，最光輝奪目的莫過(guò)于全天最亮的天狼星，如明燈般掛在獵戶座身后。但在天狼星的側(cè)畔，其實(shí)還有一顆伴星，通常被稱為天狼星B，或“小狗星”。盡管只有8.7等(星等是用來(lái)描述天體亮度的一個(gè)尺度。星等數(shù)值越小，表示天體越亮;數(shù)值越大，表示天體越暗)的暗弱微光，但這顆“小狗星”在天體物理學(xué)領(lǐng)域卻赫赫有名——因?yàn)檫@是第一顆被人類發(fā)現(xiàn)的白矮星，也是目前已知質(zhì)量最大的白矮星之一。
天狼星及其伴星
北京時(shí)間2024年8月5日，美籍華裔物理學(xué)家李政道逝世，享年97歲。許多人都津津樂(lè)道于他以宇稱不守恒摘得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，但鮮為人知的是，李政道還奠定了白矮星演化理論的基礎(chǔ)。
01
師從費(fèi)米
24歲首秀展現(xiàn)一流計(jì)算功底
1946年，20歲的李政道被吳大猷和葉企孫先生聯(lián)名推薦去美國(guó)攻讀研究生。而他在芝加哥大學(xué)的導(dǎo)師，則是赫赫有名的諾貝爾獎(jiǎng)得主恩里克·費(fèi)米——對(duì)，就是那個(gè)在學(xué)校體育場(chǎng)建核反應(yīng)堆，用紙屑漂移手算原子彈當(dāng)量的費(fèi)米。
作為物理學(xué)黃金一代的一員，費(fèi)米對(duì)物理學(xué)宏觀現(xiàn)象，尤其是天文學(xué)的興趣不亞于他對(duì)量子物理的研究，并把這種好奇心傳給了李政道。而費(fèi)米實(shí)事求是的作風(fēng)，也讓他的第一個(gè)中國(guó)學(xué)生終身難忘。
有一天，費(fèi)米問(wèn)李政道太陽(yáng)中央的溫度是多少，李回答說(shuō)：“大約一千萬(wàn)度。”費(fèi)米問(wèn)：“你怎么知道的?”李誠(chéng)實(shí)地回答：“是書(shū)上說(shuō)的”，但費(fèi)米并不滿意，而是建議李政道自己動(dòng)手建模算一下。于是李政道用幾周時(shí)間造了一個(gè)6.7英尺長(zhǎng)的計(jì)算尺，用于求解輻射傳遞方程的積分計(jì)算，得出了精確的答案——1571萬(wàn)攝氏度。
李政道和用于計(jì)算太陽(yáng)溫度的超大計(jì)算尺
1949年，在費(fèi)米的建議下，李政道決定以白矮星作為博士畢業(yè)論文的課題。白矮星，一個(gè)神秘的天體，它的質(zhì)量和表面溫度與太陽(yáng)相似，但光度卻僅有千分之一，據(jù)此推斷其平均密度應(yīng)是太陽(yáng)的100倍以上，一個(gè)火柴盒的白矮星質(zhì)量就超過(guò)了一噸。彼時(shí)天文學(xué)家通過(guò)光譜學(xué)分析認(rèn)為白矮星主要由氫構(gòu)成，在這么高密度的簡(jiǎn)并態(tài)下氫原子核是如何進(jìn)行核反應(yīng)，就成了難以破解的謎題。
于是，李政道構(gòu)建了白矮星內(nèi)部不同條件下的狀態(tài)方程，從一般物理狀態(tài)的外層到高度簡(jiǎn)并的核心，還特別考慮計(jì)算了固體下的電子熱導(dǎo)率，這是白矮星內(nèi)部溫度分布的重要參數(shù)。而在對(duì)這個(gè)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算后，他得到了一個(gè)驚人的結(jié)論：白矮星無(wú)法依靠氫原子核聚變實(shí)現(xiàn)輻射-引力平衡。
真相是，白矮星的內(nèi)部幾乎沒(méi)有氫!
這意味著白矮星本質(zhì)上是一個(gè)靠簡(jiǎn)并態(tài)支撐的結(jié)構(gòu)、且無(wú)法制造能量，只能不斷冷卻的“鐵球”(由碳氧原子構(gòu)成)。以這個(gè)發(fā)現(xiàn)為基礎(chǔ)，李政道進(jìn)一步計(jì)算出白矮星的質(zhì)量上限不會(huì)超過(guò)1.44個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。
質(zhì)量超過(guò)這一極限的天體則會(huì)演化成黑洞，那就是另一個(gè)故事了——在李政道發(fā)表論文的那一年，霍金剛剛上大學(xué)。
24歲的李政道完成了物理學(xué)界的首秀，展示出在天體物理、核物理、凝聚態(tài)物理、統(tǒng)計(jì)物理、流體力學(xué)等方面深刻的洞察和一流的計(jì)算功底。
那個(gè)年代的物理學(xué)依然是充滿了迷霧的無(wú)限原野，而李政道，這個(gè)來(lái)自中國(guó)的天才小子，將在接下來(lái)的七年間遍歷天體物理(致密星)，流體力學(xué)(湍流)，統(tǒng)計(jì)物理(李-楊定律)，凝聚態(tài)物理(極化子理論)，量子場(chǎng)論(李模型)的重要難題，最終，以基本粒子物理中最精彩的一個(gè)猜想，成為史上最年輕的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主!
在最好的年紀(jì)，李政道如一道炫目的白光，照亮了科學(xué)的新邊疆。
在這之后的四十年里，李政道仍在不斷地拓展和楊振寧一起發(fā)現(xiàn)的這片沃土，甚至還順手把自己發(fā)明的非拓?fù)涔伦永碚撚没氐教祗w物理學(xué)上，提出了“孤子星”模型，成為暗物質(zhì)和類星體最可能的假想之一。
02
一代宗師
后半生致力于培養(yǎng)中國(guó)科學(xué)家
但這些，都不是今天我們紀(jì)念李政道的最關(guān)鍵原因。
物理學(xué)黃金一代最年輕的費(fèi)米，點(diǎn)亮了李政道的物理學(xué)之路，而作為白銀時(shí)代最耀眼的天才，李政道給整整一代的中國(guó)科學(xué)家開(kāi)拓出一條學(xué)術(shù)大道。
1972年中美破冰之后，李政道第一時(shí)間回國(guó)訪問(wèn)。在受到毛主席、周總理接見(jiàn)時(shí)，大膽提出了跨越式培養(yǎng)基礎(chǔ)科學(xué)人才的建議，而這一提議后來(lái)成為了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)少年班創(chuàng)辦的重要依據(jù)。此后，李政道多次專程前往合肥，和少年班的學(xué)子交流，鼓勵(lì)他們?yōu)閲?guó)成才。
1984年，李政道與少年班師生合影
由于此前的特殊時(shí)期，中國(guó)已和世界學(xué)術(shù)圈隔離多年，許多優(yōu)秀的學(xué)生被困在國(guó)內(nèi)，無(wú)法接觸到最新的研究和正規(guī)的學(xué)術(shù)訓(xùn)練。
1979年，李政道在回國(guó)講學(xué)間隙請(qǐng)求哥倫比亞大學(xué)物理系為中科院的研究生出一份考題，最終有5名學(xué)生通過(guò)考試，李政道為他們補(bǔ)辦手續(xù)，資助他們前往哥大留學(xué)。
此后的半年間，李政道陸續(xù)向美國(guó)53所大學(xué)的物理系寄出200多封郵件，邀請(qǐng)他們效仿哥大模式招收中國(guó)學(xué)生，得到積極回應(yīng)。
這一行動(dòng)，開(kāi)啟了CUSPEA(中美聯(lián)合招考物理研究生項(xiàng)目)的傳奇十年。從1980到1988年，CUSPEA共招收915名博士生赴美深造，陸續(xù)成為中國(guó)物理學(xué)界的中堅(jiān)力量，迅速縮小了國(guó)內(nèi)外的研究水平差距。如今，國(guó)內(nèi)所有的重點(diǎn)理工學(xué)科里，都有通過(guò)CUSPEA留學(xué)歸來(lái)的老師，把科學(xué)的智慧傳承給更多的中國(guó)孩子。
對(duì)于這一成就，李政道自我評(píng)價(jià)道“是吳大猷先生當(dāng)初把我?guī)У矫绹?guó)來(lái)的，給了我這樣的機(jī)會(huì)，沒(méi)有這樣的機(jī)會(huì)，我是不會(huì)有今天的……我深感CUSPEA有意義、有價(jià)值，從某些方面講，它比我做宇稱不守恒更有意義。”
在此之后，李政道還向鄧小平建言，設(shè)立了中國(guó)的博士后資助制度，并深入?yún)⑴c了國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)的建立。CUSPEA的成功也被復(fù)制到其他學(xué)科，由康奈爾大學(xué)吳瑞教授發(fā)起了 CUSBEA 項(xiàng)目，選派優(yōu)秀學(xué)生赴美學(xué)習(xí)生物化學(xué)和分子生物學(xué)。如今，CUSBEA一代已成為中國(guó)生物醫(yī)藥研發(fā)和產(chǎn)業(yè)元老級(jí)的存在。
而在1997年，李政道更是動(dòng)用個(gè)人積蓄設(shè)立了“秦惠?-李政道中國(guó)大學(xué)生見(jiàn)習(xí)進(jìn)修基金”，專門用來(lái)資助北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、蘭州大學(xué)、蘇州大學(xué)、臺(tái)灣清華大學(xué)、上海交通大學(xué)的優(yōu)秀本科生見(jiàn)習(xí)科學(xué)研究，20年來(lái)培養(yǎng)了3800余名“?政學(xué)者”。
在人生的后半程，李政道篳路藍(lán)縷，把自己的全力投入到中國(guó)下一代科學(xué)家的培養(yǎng)中。而這些，才是李政道之所以是一代宗師的真正原因。
七天之后，英仙座流星雨就會(huì)如期劃過(guò)天空，把奧爾特云中的生命之水帶給地球。沒(méi)有億萬(wàn)年來(lái)的這一道道輝光，地球?qū)⒉粫?huì)是如今碧波蕩漾生機(jī)盎然的所在，而永遠(yuǎn)是干涸的死寂。
當(dāng)科學(xué)的群星在西方閃耀時(shí)，是李政道這樣的國(guó)士突破阻礙，不斷的把水和光帶給眼中充滿渴望的中國(guó)學(xué)子。
如今，先生已魂歸物理學(xué)眾神的英靈殿，而他當(dāng)年帶來(lái)的火種，也散作滿天星斗，照亮一個(gè)科學(xué)大國(guó)的光輝未來(lái)。