李政道：粒子物理的光輝前景

作者：Christine Sutton (CERN) 2007年11月20日

在獲得諾貝爾獎50周年的今天，李政道先生最近訪問了西歐核子中心（CERN）。李政道認為，粒子物

理的現狀仍然是非常樂觀的，這個觀點不容置疑。

1957年12月10日，二位年輕的旅美中國學者抵達斯德哥爾摩領取諾貝爾物理學獎——這是中國人第一

次獲得諾貝爾獎。李政道和楊振寧為他們在1956年夏天做的工作，獲得了這個世界上最著名的科學獎項。

他們提出弱相互作用對宇稱，即對所有空間方向的反轉，是不對稱的。授與他們諾貝爾獎使當時物理學界

持續一年多的由於τ-θ之謎而引起的動盪，隨着核子β衰變實驗，而得到最恰當的終結。在這實驗中吳

健雄和她的同事證明李和楊是正確的：在弱相互作用中自然界破壞了宇稱對稱性。

半個世紀過去了，李政道仍然關注着，探索着物質最基本的構造。他重點關注的是基本粒子的對稱性

，儘管在過去的歲月中許多方面已經改變。他指出，我們關於物質是由什麼構成的概念與50年前相比已相

當的不同了。今天，我們知道，所有一切物質都是由12種粒子組成，6種夸克和6種輕子。這裡的所有一切

物質——不包括暗物質，不包括暗能量，但是包括所有我們這樣的物質——每顆星星，我們的銀河系，宇

宙中所有的星系都是由這十二種粒子構成的。

這12種粒子，可以分成4個家族。每個家族包含3種具有相同電荷的粒子。這構成了當前粒子物理標準

模型的基礎。這些都是我們的學生首先要學的課題。可是，在1957年，物理學家只清楚它們中兩種粒子的

知識——電子和µ介子，兩者都是帶電輕子。夸克是後來才知道的，而五十年前與核β衰變相關聯的中微

子事實上是現在了解的三種不同中微子的一種混合態。五十年來，這個領域碩果纍纍，共發現了6種夸克

，第三種帶電輕子（τ 子）和3種中微子。李政道強調，“五十年前，我們只知道中微子的一種形態，但

是我們不知道這一種形態事實上是現在知道的三種中微子組合的一個相干混合態”。現在，李政道的主要

興趣集中在研究輕子和夸克的混合現象。這種混合分別由2個3×3矩陣描述。李政道稱這2個矩陣是粒子物

理的重要基石。

李政道為粒子物理的進展感到由衷的驕傲，他認為20世紀下半葉取得的碩果可以與19世紀末葉取得的

相媲美。在1890年代發現了電子之後，盧瑟福(Ernest Rutherfold)用他在α，β和γ輻射方面的工作打

開了新世界的大門。李政道注意到，20世紀物理的很大部分，是分別通過強相互作用，弱相互作用和電磁

相互作用來研究 α，β和γ衰變的。所有這些構成了標準模型的基礎。“現在，100年過去了，我們認識

到，所有的物質都是由12種粒子組成，它們分屬4個家族，每個家族由3種相同電荷的粒子組成。這實在是

非常神奇”。他深信，這個領域正處在新發現的邊緣，隨着對這些基本組元的進一步探索，新的，偉大的

物理發現將會誕生。

在過去50年中，大家對李政道在粒子物理方面的貢獻印象深刻。在中國長大，並且在那裡已經證明他

自己是一名出色的學生，因此在1946年他獲得了中國政府的獎學金。這使他得以進入芝加哥大學。1950年

在費米教授指導下榮獲博士學位。1953年，他任職哥倫比亞大學助理教授，至今他仍是該校一名富有活力

的教授。

他在粒子物理里的研究領域非常廣泛，從只具有非常弱的作用的，幾乎是無形無蹤的中微子世界，到

又濃又稠的像西餐湯似的強相互作用夸克膠子等離子體。1950年代末，在哥倫比亞大學，李政道教授對研

究高能帶區的弱相互作用的熱忱超過了對粒子衰變的研究。所以這種傾向激勵了他的實驗同事，促使

Melvin Schwartz構想出產生中微子束的方法。布魯克黑文國家實驗室1962年那個著名的實驗應運而生。

該實驗證實了存在着兩種不同的中微子，它們分別與電子和 μ介子相關聯。

2年之後，布魯克黑文又一次傳出令人振奮的，突破性實驗結果。James Cronin,Val Fitch和他們同

事發現電荷共軛和宇稱（CP）組合對稱性在中性K介子衰變中被破壞。這種現象其實可以在6種夸克和它們

的3×3混合矩陣的框架範圍內得到解釋。這些也是李政道目前工作的焦點。

差不多同時，李政道對場論還作出了開創性貢獻，該貢獻最終成為描述強相互作用理論的量子色動力

學的一個重要部分，現在被稱為Kinoxxxxa-Lee-Nauenberg定理。該定理用於處理規範理論中紅外發散問

題。在QCD中，它成為理解從夸克和膠子中產生噴注的基礎——是粒子對撞機上進行的一個重要的研究課

題，不論是在早年的SLAC的SPEAR對撞機上還是在CERN的即將開始運行的LHC上都是如此。除此之外，在表

現形式為夸克-膠子等離子體的高溫高密度QCD物質的物理中，李政道作出了他最重要的貢獻之一。他促使

人們認識到，人類實際上是有可能觀察到這種振奮人心的物質新狀態的。1974年，當時實驗物理學家關注

的都是小了又小的尺度，但是他卻提出了新的思維：“將高能量或高核密度物質分布在相對較大的空間，

這對於探索新現象具有相當大的意義。特別需要指出的是，在重核碰撞中，他看到了真空恢復破缺對稱性

的希望。這也是那些推動布魯克黑文RHIC對撞機項目的科學家的動機之一。而李政道在過去的幾年中已經

懷着激動的心情見證了強作用下夸克膠子等離子體實驗得到的結果。他同時還看到了重離子對撞物理與暗

能量物理之間的可能聯繫，兩者都可能與集體場（標量場）有關，在物質場存在時都能產生負壓力。“我

深信在LHC上進行的重離子項目對於探索這種可能性是十分重要的”。

最近李訪問CERN，他看到為LHC實驗工作的巨大努力和準備。他在思考，這些實驗將會發現些什麼？

他預期LHC會作出重要的發現，包括發現新粒子，例如Higgs粒子存在的證據。他的關於宇宙中對稱性的進

一步想法將會使他個人提出更多的預言。

他深信，宇稱，電荷共軛和時間反演中的不對稱並不是物理基本定律內的不對稱。實際上，他認為，

它們僅僅是解的不對稱，也就是說，在我們生活與其中的大膨脹的宇宙中的不對稱，僅僅是解的不對稱。

換句話說，他看到了CP破壞自發對稱破缺的一種效應。在這種情況下，李說，有可能會發現右手的W和Z粒

子，他們將與已經發現的左手的W和Z粒子相匹配。其他的新粒子有可能是無質量引力子的有質量伴子，就

像無質量的光子在W和Z中有個重伴子一樣。“它們一定會露出水面，而LHC將會是為實現這個目標的第一

個窗口。”

LHC將來能帶來的預期成果與李政道描繪的粒子物理錦繡全景非常吻合。李政道說：“這將成為一個

轉折點，從我們在這兒發現的新物理中，我們還將了解，下一步我們該做什麼。我們期待LHC將呈現給我

們一個充滿新發現的世界，這些發現將為我們將來的探索指引方向。”榮獲諾貝爾獎的半個世紀以來，李

政道對粒子物理的前景一直保持着激動樂觀的態度。“我深信，對於物理學來說，21世紀初葉的重要性等

同於20世紀初葉（前50年）。而LHC將會是做出第一批發現的第一台機器。我們都非常榮幸能親歷其境。

”

(原文刊登在"CERN COURIER",V47,N10,P35, 2007,“歐洲核子研究中心快報”第47卷，第10期，35頁

，2007年， url: http://cerncourier.com/cws/article/cern/31867）

感興趣的讀者，可以進一步參閱：李政道在CERN作報告時的實況錄像。報告的題目為“電－弱相互作

用中的對稱和不對稱（宇稱不守恆發現50周年）”。請訪問以下網址觀看錄像：

http://indico.cern.ch/conferenceDisplay.py?confId=19674