李政道：費米在芝加哥大學留下的記憶_風聞
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多年前，美國布魯克海文國家實驗室的塞巴斯蒂安·懷特（Sebastian White）計劃撰寫“費米在美國：費米作為一名教師在哥倫比亞大學和芝加哥大學留下的記憶”叢書。為此，他訪問了費米教授過去的學生和同事，其中包括李政道、理查德·伽温（Richard L. Garwin）、弗里曼·戴森（Freeman Dyson)和維利斯·蘭姆（Willis Lamb）等人。
李政道在1947年成為費米的博士研究生。在採訪中，他提供了當年與費米接觸的個人感覺。這篇採訪稿雖然距今已有多年，但李政道先生對於費米如何教育學生的方法的回憶，仍然對於我們如何辦好大學，如何對學生進行教育具有一定的意義。特此刊出，以饗讀者。
採訪人 | 塞巴斯蒂安·懷特
受訪人 | 李政道
翻譯 | 王垂林
懷特：你是費米40年代的研究生，有費米當你的老師感覺如何？
李政道：這是非常激動人心的經歷。當然，在那個年代，芝加哥大學教授和學生整體水平是相當了不起的，再加上費米的加入。我是1946年秋從中國直接過來的。這開始了我的專業生涯。
懷特：你當時知道費米在那兒，這也是你來芝加哥的理由之一？
李政道：是的，這是理由之一。另外一個理由是因為我只有兩年大學學歷，而芝加哥大學是僅有的可錄取我直接進入研究生課程的學校。
懷特：你是如何與費米商定你的博士論文題目的？
李政道：實際上，在當年我與費米曾經有過幾個題目。第一個題目與費米關係較小，受到當時的物理研究的進展的影響較多。
那是在1948年，傑克·斯坦伯格（Jack Steinberger）是我的同學。他做了一個關於mu介子（現在名稱為繆子）衰變的實驗，發現了它具有一個連續譜。楊振寧、馬歇爾·羅森布魯斯（Marshall Rosenbluth）和我分析了三個過程：mu介子衰變、mu介子俘獲，和β衰變。我們非常高興地發現它們的耦合常數大致相同。在那個時候，我已經是費米的學生了，當時這一切發生得太快。傑克·斯坦伯格已經作出存在一個連續譜的實驗結論，但是他不知道如何計算這個譜，這就是我被牽涉進去的原因。他過來問我，我用三體衰變理論做出來了（自然，這計算也是基於費米的弱作用理論）。
在這個基礎上，我與楊振寧和羅森布魯斯合作，我們一起計算了這三個過程。之後，我告訴了費米這些計算結果，他很感興趣。他説，“你們必須將這些寫出來”。我説，問題是為什麼它們必須具有相同的耦合常數。我認為，這裏面肯定隱藏着像廣義相對論那樣的最根本原理。我當時非常自覺地應用費米的β衰變理論。我問他，為什麼他當初的β衰變理論使用字母G代表β衰變耦合常數，他告訴我，的確，在他的腦子裏含有廣義相對論的想法。
之後，幾個月過去了，因為存在幾點困難。例如，中間玻色子必須擁有質量，可是這質量是如何產生的？在1948年聖誕節左右，費米打電話讓我去他辦公室。他説他剛剛收到來自蒂歐姆諾（Tiomno）和惠勒（Wheeler）的兩篇文章。
他們也分析了這三個過程，並且發現了具有相同的耦合常數。但是他們沒有推測到中間玻色子。我曾經向費米提起過，我正在考慮存在一箇中間玻色子的可能，但是我不能搞定不變原則。當年，還不知道可能存在一個統一的弱相互作用，因為只有費米的β衰變理論。但是一旦我們將β衰變和mu介子衰變、mu介子俘獲這三個作用，一起研究：這三個不同的過程引導我們深入更進一步的思考。所以我們推測，一定存在一箇中間玻色子，這個中間玻色子很重，且有一個普適的耦合常數。問題是怎麼樣能夠將V和A兩種不同的β衰變存在一種選擇規則，與同一個中間玻色子耦合：因為在1948年，大家公認宇稱必須守恆。
我向恩里科·費米提到了這個問題，他有同感。這就是我們沒有立刻寫下來的原因。但是到聖誕節時惠勒的文章到了，費米説，你們必須馬上寫出來。
同時，費米對我説，他會給惠勤他們寫信，告訴他們，我們在幾個月前已經做了這些工作。在那個聖誕節，楊振寧和羅森布魯斯外出度假去了，因此，我匆忙地寫了一篇短文，署上了三個人的名字。那是我的第一篇文章。在物理評論雜誌上，它只佔半頁紙。文中，有一段落專門講述中間玻色子，普適耦合，它很重，壽命很短。多年之後，我和楊振寧稱它為“W”，代表Weak（衰弱）作用。
這是我第一次直接（一對一）與費米較長接觸。他非常有耐心。在蒂歐姆諾和惠勒的兩篇文章裏，有一個校對後加上的註解，感謝費米指出他的三個學生在之前也曾經獨立地有過相同的思路。
我不認為這是一個合適的博士論文題目，因為我不清楚在這個普適相互作用所依據的原理。所以，我的第一篇文章不是費米建議的，他的作用就像是一位好朋友、給以我支持和鼓勵。
我的第二個課題與瑪麗亞·邁耶（Maria Mayer）的殼層模型相關。這也發生在1948年。在當時，有一篇尤金·芬伯格（Eugene Feenberg）的文章，發現了一種能夠適用於複雜原子核內核子的勢能。它給出了這些能級。但是這個勢能存在一個問題，就是他違反了絕熱原則。
瑪麗亞在一次學術報告會上討論了她的文章，有一堆反對意見。在報告會結束時，費米問道，為什麼不考慮自旋軌道（l-s）耦合？
之後，我注意到，在下一個星期，舉行了另一個學術報告會，可是報告人仍是瑪麗亞，而且報告題目相同。這一次，我又去聽了，瑪麗亞的報告內容大有進步，已經有了最終的殼層模型了，非常漂亮的模型。在瑪麗亞的文章中，她感謝費米提出準確的問題的貢獻。在她的諾貝爾獎講演時，她又一次確認費米提出準確的問題的極其重要的貢獻。但是，在這個場合，她説她已經考慮過自旋軌道（l-s）耦合，正好在走廊中碰巧碰見費米，那時他們停下來討論了幻數問題。在這個版本中，費米問到了自旋軌道 (l-s) 耦合問題，而當時她已經對這個問題有了答案，馬上作了回答。顯然，這件事情已經過去了很長時間了，她可能有了不同的記憶。
下面，再説説我從費米那兒得到的下一個題目。他在思考一個問題，因為一個核子在重核中的平均自由程只有大約一個核半徑或者更短，非常難於理解如何保持一個軌道使得瑪麗亞的分析有意義。
當時，費米有他的執著的想法。在他的早期工作中，在氬原子或者其他惰性氣體內，他注意到在一個電子軌道內有可能有很多其他電子。費米利用他的有效散射長度和Delta函數模型，這樣他可以獲得在一種由其他電子雲提供的介質中的軌道。這與實驗符合得非常好。所以他在考慮同樣的思路是否能夠解釋瑪麗亞·邁耶的幻數。
我記得當時他説過，這確實是一個非常好的論文題目。他向我解釋。我考慮了大約有一到兩個星期。之後，他問起我想清楚了沒有，我説，還沒有進展。在費米已經完成的工作基礎上，我無能開闢一條新的道路。後來，我明白了，真正的困難來自於這個問題的複雜性，它不像費米電子氣那樣簡單，它與強耦合介質有關。
費米教授很有耐心，他説 “這是有點棘手。這樣吧，我們互換個角色如何？”
他説，總是有些物理問題困惑他，他想尋求答案並且學到更多東西。他建議我給他講課。我説，我會全力以赴。
在那時，費米主要是做實驗。當他錄取我為他的學生時，我是他唯一的理論學生。當我首次提出請求時，他説他不想帶任何理論學生的。因為當時他沒有在理論方面做工作，他正在建造粒子迴旋加速器。他正在測量中子—電子相互作用，等等。之後，他説，好啊，他收下了我。但是看上去，這個學生有點挑剔。
他要我讀文獻，然後給他上課。所以，我們每星期會面一次，一起度過一個下午。我去他的實驗室去找到他，然後我們一起去他的辦公室。通常，我們會討論他在上星期提出的一個題目。那時候，他對天體物理學感興趣，如，質子與星星碰撞的問題，與宇宙線的關聯。
一開始，他問我太陽中心温度是多少。我給了他一個報告：説約一千萬度左右。他問我是否自己核算過。我説，這裏有光強和核心內因對流引起的能量產生的兩個關聯方程，所以比較複雜。當時，他再一次問我，你怎麼知道這答案是正確的。我寫出了方程，給他演示了能量轉換的規律與温度的3.5次方成正比。而能量產生與温度的大約16次方成正比。費米説：你不能依靠別人的計算結果，你必須自己核准，才能接受。
費米建議，我們也許可以製造一個計算尺來查驗一下。他幫助我製作了一個長6英尺的計算尺來解題；我還保存有與計算尺一起照的照片。他做了木匠活，我刻制並且攝影放大了log尺度的標尺。當我們製作出來後，馬上就計算出來了，也許就花了一個小時。我之所以描述這些情節，就是想説明他是一位極卓越的老師，當時（1948年），費米早已被公認為物理泰斗，而我僅是由中國來美國不久的青年學生。可是費米老師不惜時間和精力，引導我，教育我。
現在回到我的論文題目。我們開始了研究白矮星這個題目和錢德拉塞卡（Chandrasekhar）的工作。當年，錢德拉塞卡極限並不是現在公認的1.4個太陽質量，而是4倍或者更大。當時並不清楚白矮星的內部組成，不清楚是氫、氦還是其他更重的核子組成的。這就會改變電子和核子數的比例。引力作用在核子上，但是抵抗塌縮的壓力來自於電子。所以問題依賴於電子數和核子數之比（實際上是比的平方）。當年有一篇馬爾夏克（Marshak）的文章（他正與貝特〈Bethe〉合作），這篇文章稱最可能的組成成分是氫。思路是這樣的，因為白矮星的密度很高，從星球的核心到表面的熱流會非常的快，假如白矮星的核心温度很低，這就會使燃料燃燒變慢。這也是伽莫夫（Gamow）的想法。他們聲稱，白矮星是星球的誕生，白矮星可能完全是氫核子組成。
這樣，當時錢德拉塞卡極限是現在公認的極限數的4倍，當我試圖解讀馬爾夏克的和馬爾夏克與貝特的文章時，我意識到他們的思考可能大有問題，同時，在他們的計算中所用到的緻密物質的不透明度也是錯的。
我向費米提到了這幾點，他建議我給他們寫一封信。所以我就給馬爾夏克寫了信，當時他正在懷俄明州度假。回信相當粗魯。他説：“你是誰？”當時馬爾夏克正與貝特合作，在介子理論方面已經做了很多工作，在事業上有所建樹。當然了，以後，我們成了好朋友。總之，他説他會給我答覆。我在信中指出了我認為的他錯誤之處。他給我回信説我是對的。與此同時，我再進一步考慮：白矮星的內部主要元素究竟是氫，還是氦？仔細想想，我感覺到這白矮星應該全部由氦組成，不是氫組成的。能量產生是温度的一個陡峭函數而能量輸出是温度的緩慢函數。
馬爾夏克與貝特發現了平衡點，但是這事實上不是一個穩定解，因為如果你稍微增加一些温度，能量產生就會急速增加，整個東西就會爆炸。所以，在費米的鼓勵下，我寫了這個主題的一篇文章。那篇文章發表在天體物理雜誌上。這篇文章再加上對不透明度的正確處理成為我的博士論文（我的論文後來被洛斯阿拉莫斯實驗室內對緻密物質特性感興趣的科學家應用）。
費米與眾不同。不僅在物理方面，他的成就卓越，在平時待人接物方面，也是非常和善。舉例來説，他給我出了一個問題，而我回答道，我不想做，如果碰到通常一位教授，他會説：“見鬼去吧。”但是，費米不是這樣，他會説：“好吧，那你來教我。”這需要極大的耐心和和善。我記得當時他是非常忙的，他當年正在做實驗，建造芝加哥粒子迴旋加速器，等等。
懷特：伽温（Garwin）談到過費米的超凡領導魅力。他引導人們走向他工作的方向。你與費米的關係好像有點不同。
李政道：是的，我可以舉出一些例子。那時期中，我每個星期與他見一次面。而每次的討論是一整個下午，一起交談。我們在一起度過很多時間。我不知道有沒有其他任何一位老師會做到這點。當然我的意思是説，這是相當特殊的，但是當時我太年輕，不知道自己多麼運氣，遇到多麼特殊的好老師。
在我到達芝加哥不久，費米開了一門夜間課程，只有被邀請到的學生才能參加。非常幸運，我被邀請到了，這是很特殊的。這門課在1948年到1949年共進行了約兩年。每個星期他都會佈置一些問題。當時，費米正在測量中子和電子之間的相互作用，他説，因為中子有一個磁矩，所以你可以嘗試利用量子電動力學來計算它。在下個星期我利用了玻恩近似做了計算。在費米來到之前，我和另一學生穆福·戈德伯格交談，我們兩個得到了相同的答案。之後，費米來了，問我們結果。我們給了他我們的公式。“你們用了玻恩近似？”我們回答道：“當然了，你還能用什麼？”他向我們解釋道，如果你用了玻恩近似，當電子進入後，它就會旋轉等等。簡而言之，我們對於半經典計算的有效性，討論了人們普遍認為的看法。
取而代之的是，他使用了另外一種途徑計算，得到了他的公式。結果是，當有效性範圍是正確時，我們的公式就會退化到他的公式，但是，如果不是的話，對於實的中子磁矩和電子，只有他的公式才是對的。當時費米計算了這個問題，因為費米也同時做了實驗在測量。而且已經結束了他的測量。所以他正在考慮新的相互作用（超越電磁的作用）。
通常，只要費米宣佈他已經做了，我就不再做這個問題，因為他已經導出正確的答案了。
大約在1952年，我進入高等研究院不久，穆福·戈德伯格給我打電話，那時他在普林斯頓大學物理系，問我，我們能否一起吃個午飯。他問我有沒有看過一篇福迪（Foldy）和沃希森（Wouthuysen）文章。我説沒有。他説：“看一下吧，然後再回過來考慮那個電子和中子的問題。”我看了，十分肯定，我們的公式一字不差地出現在他們的文章中，而且這公式和費米的實驗結果完全符合！我吸取了一個教訓。如果你得到了一個公式，你相信你的公式是正確的，你應該將數字代入公式作一下計算，可是我和戈德伯格都沒有這樣做。
當費米説這就是結果，我們中沒有一個會產生任何疑問他是否正確，沒有一個人會再費心思將數字代入，去與他的實驗對比。
懷特：伽温在之前曾經講述過一個費米在羅馬時的故事。當時，費米在一個實驗室工作台上工作，似乎是出於本能，他用一塊石蠟取代了一塊鉛塊，這導致了整個系列慢中子研究工作。你能否講講類似這樣的故事，談一下“靈感”在理論工作中的作用，例如，在費米的β衰變理論中的作用。
李政道：談到費米的β衰變理論，用費米自己的説法，這個説法已經見諸於出版物，當時他是在試圖理解二次量子化。他不太明白泡利的工作，而同時他又對β衰變感興趣。
我們必須認識到β衰變的特殊性，如果將它與電子發射光子情況相比較的話。電子發射光子是一個粒子進（即電子），兩個粒子出（即電子和光子），而β衰變的情況是一個進（中子），三個粒子（質子、電子和中微子）出。這是相當不平凡的。所以費米認識到這必須用到狄拉克海概念，我想他意識到二次量子化是分析這種新現象的工具。
石蠟的故事也許是費米的典型特點。這方面，肯定有許多文章談到這些了。毫無疑問，這是靈感，但是，就像大部分靈感那樣，這些靈感都來自於對物性起源原理的理解深度。找這種起源就像你要從一個麻袋裏面挑出一粒穀粒那樣。天才就是這麼產生的。但是，你必須從一個麻袋開始。我認為，石蠟這件事可能是曾經斷斷續續下意識地出現在費米腦子裏無數次後，他才作出的一種決斷。以局外人的角度來看，這太神奇了。這確實神奇，但這是人類的奇蹟。
懷特：我們的談話主題涉及面很廣，在這裏，我能否問一下你自己的情況？
李政道：我覺得，每個人都會有自己主要的思考模式，這就要關注自己思考重點，並且使用了曾學到的手法以達到目的。與此同時，還會得到其他的“副產品”，也許這些副產品邏輯性不強，不過可以自由聯想。正是這些副產品，會突然帶入到思考的主題，靈感突然出現。要抓住這些靈感，如果是學理論的，需要具備分析能力，如果是搞實驗的，必須擁有需要的一切實驗工具和手法。我想，這樣的經驗對於許多人來説都是共同。講到費米，他是特殊的，他具有極強的將抽象的事情具體化的理論分析能力，而且他又能設計和執行極有效的實驗證明。可以簡而言之地説，他擁有極不平凡的天才，能將不同的、極難了解的自然現象都演變成清晰化、明朗化的能力。費米是一位極偉大的理論和實驗物理巨人，他也是一位很善教導很能引人深入的超級老師。
本文由原文發表於《中國科學報》 (2012-01-18 B4 人物)。
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