科学巨擘李政道先生与天文的不解之缘

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“当年费米收我做博士论文，我想做粒子物理理论，费米告诉我粒子物理没有前途，要我做天体物理，我就去跟钱德拉做天体物理学。天体物理学博士论文完成后，钱德拉告诉我天体物理学没有前途，要我去做流体力学。流体物理做了一阵子，林家翘又对我说流体力学没有前途，所以我又回到了基本粒子物理。”

——李政道

撰文 | 郑晓晨（清华大学）

责编 | 韩越扬 吕浩然

1949年，虽然在科学史上或许是平淡无奇的一年，但对于芝加哥大学正着手毕业论文的李政道先生（图1左）来说，却是一段踟蹰百结的岁月。

李政道（1926-），1957年诺贝尔物理学奖得主，著名粒子物理学家。费米（Enrico Fermi, 1901-1954），1939年诺贝尔物理学奖得主，理论物理学和实验物理学泰斗。图1左：李政道手持费米教授与他合作制作的专用计算主序星内部温度的计算尺，摄于1948年。图1右：李政道的博士生导师费米，摄于1940年。

不过，和大多数愁秃了头、忧心能否如期毕业的研究生不同，他烦恼的重点是自己心心念念准备大展一番身手的领域，却被他的博士生导师、名满天下的物理学泰斗费米教授（图1右）兜头泼了一桶凉水。费米告诉他，基本粒子理论已然穷途末路。彼时的费米教授不仅是粒子物理领域的权威，同时涉猎广泛，他建议李政道不妨试试天体物理，毕竟，广阔天地、大有作为。其实，幼年间，李政道就曾拜读过著名天体物理学家爱丁顿的大作《膨胀的宇宙》，也觉得这个领域很是有趣。

图2：叶凯士天文台，始建于1897年，由芝加哥大学管理、企业家叶凯士出资建造的私立天文台，内有一米直径的折射天文望远镜，是现代天文学的摇篮[1]。

当时芝加哥大学的天文和天体物理学系位于叶凯士天文台（图2）。这里是现代天文学的摇篮，高手云集。比如，因致密星理论而广为人知的钱德拉塞卡（后简称钱德拉）教授就工作于此。不过那个时候，距离钱德拉将诺贝尔物理学奖收归囊中还有逾三十年的光阴，以他的名字命名的X射线望远镜半世纪后才得以发射，他甚至都还没有拿到芝加哥大学的正教授职位。1948年伊始，钱德拉开始以助理教授的身份开课讲授天体演化，李政道正是选修的学生之一。两个在不同领域发光发热的诺贝尔奖得主，人生轨迹宿命般地短暂交汇。

钱德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar，1910-1995），1983年诺贝尔物理学奖得主。研究领域广泛，在天体物理和流体力学领域贡献卓著。图3左为钱德拉塞卡教授，图3右为以钱德拉命名的X射线望远镜的艺术图。

也许是由于导师费米的一番肺腑之言，也许是钱德拉教授讲授天体演化着实引人入胜，当然更有可能是李政道先生自幼就对宇宙天体心向往之，他最终将天体物理学中的白矮星，作为自己博士论文的选题。

白矮星，一个谜一样的天体。一个“矮”字道尽了它的突出属性——身材娇小且异常敦实，散发白光却很微弱，在一众“bling-bling”熠熠生辉的恒星中，很是不起眼。

图4：天狼双星系统（左），天狼星主星质量约为2个太阳，其伴星天狼星B为发现最早的一颗白矮星，其质量与太阳相当，大小与地球相当，两个星体之间的距离约为太阳与天王星之间的距离。右图为天狼星B的艺术图。

就是这么一个又小又暗的天体，却是大部分恒星历经千帆，喧嚣褪去后的终极形态。不过这是后话，20世纪上半叶的天体物理学家们一度对这种神奇的天体爱恨交加。

一颗质量与太阳相当的白矮星，却只有地球大小，这很不可思议（例如天狼星B，图4）。根据当时的主流观点，白矮星与其它星体一样，脱胎于宇宙早期四处弥漫的氢原子云。这些氢原子在引力作用下聚集成团，形成致密星体。不过，这一过程中必将释放出巨大的引力势。参考恒星的诞生，伴随着气体坍缩所触发的是氢原子的核聚变。那如此致密的白矮星，又是如何在巨大引力势下免遭荼毒，继续做一个黯淡的小胖子呢？

不过，白矮星虽然密度很高，但在微观尺度下，原子还是能够维持自己的正常形态，不至于被强大的引力势挤压地支离破碎，电子还是那个电子，原子核还是那个原子核。因此，早在1926年，天体物理学家Alfred Fowle等人就提出了利用电子简并压来平衡白矮星巨大引力压的想法。20世纪30年代中期，钱德拉进一步修正了这一理论，并推导出了恒星演化中一个至关重要的概念——钱德拉塞卡极限，即在电子简并压下，白矮星能够稳定存在的质量上限。不过，时值白矮星的富氢论甚嚣尘上，若据此假设白矮星由纯氢组成，则可推算出的白矮星质量上限约为5.75个太阳质量。

李政道选定白矮星作为自己的博士毕业论文课题后，参考并推广了钱德拉和另一位天体物理学家马夏克的理论，在自己的博士论文中，以《白矮星的氢含量和能量产生机制》为题，彻底否定了白矮星的富氢论，并建立了白矮星的氦原子组成模型，推测白矮星的质量上限不会超过1.44个太阳质量，也就是我们现在所熟知的钱德拉塞卡极限值。超过这一极限，即使电子的简并压也无法平息重力塌缩，可能触发整个星体的毁灭性爆炸。

对于富氢论的否定，无疑扯下了白矮星一直以来故弄玄虚的面纱。这片高悬于爱丁顿等一众天体物理学家头顶的阴影，原来不过是多数恒星历经氢燃烧成氦，氦燃烧成碳氧后的生命终点。1983年，钱德拉教授凭借白矮星理论摘得了诺贝尔物理学奖，这距离他最初完成这项推演恒星演化命运的工作已然过去了半个多世纪。

博士论文完成后，李政道继续跟随钱德拉教授从事博士后研究。他的打算是在白矮星领域深耕易耨。事实上，他确实就博士论文中探讨的问题发表了一篇后续文章，探讨白矮星内部的氦反应。

不过，20世纪50年代前后，湍流领域以极高的难度系数，吸引了不少数理高手前仆后继，就连导师钱德拉也开始致力于研究星际空间磁流体方面的湍流问题。大势所趋，于是李政道再次改弦易辙，一头扎进了流体力学的湍流中。

可惜在麻省理工学院，李政道遇到了湍流专家林家翘教授。他这才知道，原来在这位流体力学领域的顶尖教授眼里，这一样是一门没有前途的学科。

林家翘（1916—2013），1936年从西南联大考取庚子赔款留英公费生，后师从冯·卡门教授。主要研究包括流体力学的流动稳定性和湍流理论，天体物理的星系螺旋结构密度波理论，应用数学领域等。图5左：林家翘在演示盘状星系的螺旋结构。图5右：盘状星系M81的多波段螺旋结构图。

不知彼时的李政道先生具体经历了几番痛苦挣扎，辗转反侧。不过，他应该没有犹豫太久，毕竟时值上世纪50年代，各种粒子加速器和探测器飞速发展，尤其是新建成的高能质子加速器，带来了大量激动人心的数据。面对新粒子物理的诱惑，连曾经一力劝退李政道的导师费米，都把自己生命的最后几年奉献给了粒子物理。不出意外，李政道再次投向了基本粒子物理的怀抱，这次回归也奠定了他一生中最重要的成就——弱相互作用下宇称不守恒理论。这个研究，也让他收获了1957年诺贝尔物理学奖。

对于这样一段过往，李政道先生曾在1986年林家翘教授70岁生日庆祝会上略带调侃的总结了自己早年间的职业选择困境：当年费米收他做博士论文，他想做粒子物理理论，费米告诉他粒子物理没有前途，要他做天体物理。于是，他就去跟钱德拉做天体物理学。天体物理学博士论文完成后，钱德拉告诉他天体物理学没有前途，要他去做流体力学。流体物理做了一阵子，林家翘又对他说流体力学没有前途，所以他又回到了基本粒子物理。

有意思的是，多年后，李政道先生成为了粒子物理的领军人物，林家翘先生却转战天体物理，创立了密度波理论，提出了困扰天文界数十年之久的盘状星系螺旋结构缠卷难题的可能解决方案（图5）。

如果故事就此打住，大概就是一碗不忘初心方得始终的励志鸡汤。

可世事往往就是这么的百转千回，很多年后，李政道先生已然半生学海鏖战，荣誉等身，相比于令他声名鹊起的粒子物理，他的研究兴趣更偏向微观与宏观相结合的领域。在他看来，包括宇宙起源的模拟、暗物质、类星体能源等诸多天体物理问题或许将是新世纪物理学的风口所向。早在20世纪80年代，李政道先生就已提出了孤子星的概念。所谓孤子星，本质为一种冷的、稳定的，理论上可能存在的大质量致密星体。实际属于由费米子组成的夸克星范畴。作为暗物质的最佳候选者，孤子星模型已发展成为宇宙学中的重要研究方向。

2018年，上海交通大学成立了李政道研究所，以天体物理学的各个前沿领域为主要研究方向。兜兜转转，那个对爱丁顿所著《膨胀的宇宙》兴味盎然的少年，耄耋之年依然对头顶这片星空难以忘怀。

题外话：早年间，李政道还是浙江大学的一名学生时，曾师从束星北教授，这段经历为往后的求知岁月打下了坚实的物理基础。1946年，经由吴大猷、叶企孙推荐，年仅19岁的李政道告别故土亲朋，登上了开往旧金山的客船，这场际遇改变了他的一生。几十年后，由李政道先生牵头的中美联合培养物理类研究生考试留学计划（CUSPEA）， 十年间遴选了众多优秀学生前往美国名校交流学习，受惠者近千名。当年的这批青年学生，如今多成长为各个领域的领军人物。所谓传承，大抵如此吧。

参考文献：

[1]赵天池，李政道评传，中国计划出版社，2017

[2]李政道文集1999，柳怀祖编，浙江文艺出版

[3]https://www.physics.sjtu.edu.cn/node/2045

[4]朱光亚，李政道物理生涯五十年

[5]李政道，1997，水、鱼、鱼市场，《科学》1997年第6期[6]李政道，《〈束星北档案〉序言》

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