1949年，盡管在科學(xué)史上其實是平靜無奇的一年，但對于華盛頓學(xué)院正著手結(jié)業(yè)論文的李政道先生（圖1左）來說，卻是一段蹣跚百結(jié)的時光。
若果依照半世紀(jì)后轟動一時的青春傷痕類文學(xué)詮釋，彼時的李政道先生大幾率會四十五度角凝望天空，讓自己的彷徨逆流成河。
李政道（1926-），1957年諾貝爾化學(xué)學(xué)獎得主，知名粒子化學(xué)學(xué)家。
費米（Fermi,1901-1954），1939年諾貝爾化學(xué)學(xué)獎得主，理論化學(xué)學(xué)和實驗化學(xué)學(xué)泰斗。
圖1左：李政道手持費米院士與他合作制做的專用估算主序星內(nèi)部體溫的估算尺，攝于1948年。
圖1右：李政道的博士生導(dǎo)師費米，攝于1940年。
不過，和大多數(shù)愁禿了頭、憂心能夠如期結(jié)業(yè)的研究生不同，他苦惱的重點是自己心心念念打算大展一番身手的領(lǐng)域，卻被他的博士生導(dǎo)師、名漫天下的化學(xué)學(xué)泰斗費米院士（圖1右）兜頭潑了一桶冷水。費米告訴他，基本粒子理論已經(jīng)窮途末路。彼時的費米院士除了是粒子化學(xué)領(lǐng)域的權(quán)威，同時涉獵廣泛，他建議李政道不妨試試天體化學(xué)，雖然，寬廣天地、大有作為。雖然，幼年間，李政道就曾拜讀過知名天體化學(xué)學(xué)家愛丁頓的大作《膨脹的宇宙》，也認(rèn)為這個領(lǐng)域很是有趣。
圖2：葉凱士天文臺，始建于1897年，由紐約學(xué)院管理、企業(yè)家葉凱士出資建造的公立天文臺，內(nèi)有一米半徑的折射天文望遠(yuǎn)鏡，是現(xiàn)代天文學(xué)的搖籃[1]。
當(dāng)時紐約學(xué)院的天文和天體化學(xué)學(xué)系坐落葉凱士天文臺（圖2）。這兒是現(xiàn)代天文學(xué)的搖籃，大神云集。例如，因致密星理論而廣為人知的錢德拉塞卡（后簡稱錢德拉）院長就工作于此。不過那種時侯，距離錢德拉將諾貝爾化學(xué)學(xué)獎收歸囊中還有逾三六年的時光，以他的名子命名的X射線望遠(yuǎn)鏡半世紀(jì)后才得以發(fā)射，他甚至都還沒有領(lǐng)到紐約學(xué)院的正院士職位。1948年伊始，錢德拉開始以助理院長的身分開課講授天體演變，李政道正是必修的中學(xué)生之一。兩個在不同領(lǐng)域發(fā)光發(fā)熱的諾貝爾獎得主，人生軌跡宿命般地短暫交匯。
錢德拉塞卡（，1910-1995），1983年諾貝爾化學(xué)學(xué)獎得主。研究領(lǐng)域廣泛，在天體化學(xué)和流體熱學(xué)領(lǐng)域貢獻(xiàn)斐然。
圖3左為錢德拉塞卡院士，圖3右為以錢德拉命名的X射線望遠(yuǎn)鏡的藝術(shù)圖。
其實是因為導(dǎo)師費米的一番肺腑之言，其實是錢德拉院士講授天體演變著實引人入勝，其實更有可能是李政道先生自幼就對宇宙天體心憧憬之，他最終將天體化學(xué)學(xué)中的白矮星，作為自己博士論文的選題。
白矮星，一個謎一樣的天體。一個“矮”字道盡了它的突出屬性——身材高挑且異常敦實，充溢白光卻很微弱，在一眾“bling-bling”熠熠生輝的星體中，很是不起眼。
圖4：天狼雙星系統(tǒng)（左），天狼星命盤質(zhì)量約為2個太陽，其伴星天狼星B為發(fā)覺最早的一顆白矮星，其質(zhì)量與太陽相當(dāng)，大小與月球相當(dāng)，兩個星系之間的距離約為太陽與天王星之間的距離。下圖為天狼星B的藝術(shù)圖。
就是如此一個又小又暗的天體，卻是大部份星體歷經(jīng)千帆，紛擾退去后的終極形態(tài)。不過這是后話，20世紀(jì)上半葉的天體化學(xué)學(xué)家們一度對這些神奇的天體愛恨交加。
一顆質(zhì)量與太陽相當(dāng)?shù)陌装牵瑓s只有月球大小，這很不可思議（例如天狼星B，圖4）。按照當(dāng)時的主流觀點，白矮星與其它星系一樣，脫胎于宇宙初期到處彌漫的氫原子云。這種氫原子在引力作用下集聚成團(tuán)，產(chǎn)生致密星系。不過，這一過程中必定釋放出巨大的引力勢。參考星體的誕生，伴隨著二氧化碳坍縮所觸發(fā)的是氫原子的核聚變。那這么致密的白矮星，又是怎樣在巨大引力勢下免遭摧殘，繼續(xù)做一個暗淡的小瘦子呢？
不過，白矮星即使密度很高，但在微觀尺度下，原子還是才能維持自己的正常形態(tài)，不至于被強悍的引力勢擠壓得支離破碎，電子還是那種電子天文學(xué)與天體物理學(xué)，原子核還是那種原子核。為此，早在1926年，天體化學(xué)學(xué)家Fowle等人就提出了借助電子簡并壓來平衡白矮星巨大引力壓的看法。20世紀(jì)30年代中期，錢德拉進(jìn)一步修正了這一理論，并推導(dǎo)入了星體演變中一個至關(guān)重要的概念——錢德拉塞卡極限，即在電子簡并壓下，白矮星才能穩(wěn)定存在的質(zhì)量上限。不過，時值白矮星的富氫論甚囂塵上，若據(jù)此假定白矮星由純氫組成，則可估算出的白矮星質(zhì)量上限約為5.75個太陽質(zhì)量。
李政道選取白矮星作為自己的博士結(jié)業(yè)論文課題后，參考并推廣了錢德拉和另一位天體化學(xué)學(xué)家馬夏克的理論，在自己的博士論文中，以《白矮星的氫濃度和能量產(chǎn)生機制》為題，徹底否定了白矮星的富氫論，并完善了白矮星的氦原子組成模型，推斷白矮星的質(zhì)量上限不會超過1.44個太陽質(zhì)量，也就是我們現(xiàn)今所熟知的錢德拉塞卡極限值。超過這一極限，雖然電子的簡并壓也難以消弭重力塌縮，可能觸發(fā)整個星系的毀滅性爆燃。
對于富氫論的否定，無疑扯下了白矮星仍然以來故弄玄虛的面紗。這片高懸于愛丁頓等一眾天體化學(xué)學(xué)家頭上的陰影，原先不過是多數(shù)星體歷經(jīng)氫燃燒成氦，氦燃燒成碳氧后的生命終點。1983年，錢德拉院長憑著白矮星理論摘得了諾貝爾化學(xué)學(xué)獎，這距離他最初完成這項推演星體演變命運的工作已經(jīng)過去了半個多世紀(jì)。
博士論文完成后，李政道繼續(xù)追隨錢德拉院士從事博士后研究。他的準(zhǔn)備是在白矮星領(lǐng)域精耕易耨。事實上，他確實就博士論文中闡述的問題發(fā)表了一篇后續(xù)文章，闡述白矮星內(nèi)部的氦反應(yīng)。
不過，20世紀(jì)50年代前后，紊流領(lǐng)域以極高的難度系數(shù)，吸引了不少數(shù)理前輩前仆后繼，就連導(dǎo)師錢德拉也開始旨在于研究星際空間磁流體方面的紊流問題。大勢所趨，于是李政道再度改弦易轍，一頭扎進(jìn)了流體熱學(xué)的紊流中。
可惜在麻省理工大學(xué)，李政道遇見了紊流專家林家翹院士。他這才曉得，原先在那位流體熱學(xué)領(lǐng)域的頂級院長眼中，這一樣是一門沒有前途的學(xué)科。
林家翹（1916—2013），1936年從西北聯(lián)大報考庚子賠款留英公費生，后師從馮·卡門院士。主要研究包括流體熱學(xué)的流動穩(wěn)定性和紊流理論，天體化學(xué)的星體螺旋結(jié)構(gòu)密度波理論，應(yīng)用物理領(lǐng)域等。
圖5左：林家翹在演示盤狀星體的螺旋結(jié)構(gòu)。
圖5右：盤狀星體M81的多波段螺旋結(jié)布光。
不知彼時的李政道先生具體經(jīng)歷了幾番痛楚掙扎，輾轉(zhuǎn)反側(cè)。不過，他應(yīng)當(dāng)沒有遲疑太久，雖然時值上世紀(jì)50年代，各類粒子加速器和偵測器急速發(fā)展，尤其是新建成的高能質(zhì)子加速器，帶來了大量興奮人心的數(shù)據(jù)。面對新粒子化學(xué)的誘惑，連當(dāng)初一力勸退李政道的導(dǎo)師費米，都把自己生命的最后幾年奉獻(xiàn)給了粒子化學(xué)。不出意外天文學(xué)與天體物理學(xué)，李政道再度投向了基本粒子化學(xué)的懷抱，此次回歸也奠定了他一生中最重要的成就——弱互相作用下宇稱不守恒理論。這個研究，也讓他收獲了1957年諾貝爾化學(xué)學(xué)獎。
對于這樣一段過往，李政道先生曾在1986年林家翹院長70歲生日慶賀會上頗有譏諷的總結(jié)了自己早年間的職業(yè)選擇窘境：當(dāng)年費米收他做博士論文，他想做粒子化學(xué)理論，費米告訴他粒子化學(xué)沒有前途，要他做天體化學(xué)。于是，他就去跟錢德拉做天體化學(xué)學(xué)。天體化學(xué)學(xué)博士論文完成后，錢德拉告訴他天體化學(xué)學(xué)沒有前途，要他去做流體熱學(xué)。流體化學(xué)做了一陣子，林家翹又對他說流體熱學(xué)沒有前途，所以他又回到了基本粒子化學(xué)。
有意思的是，多年后，李政道先生成為了粒子化學(xué)的領(lǐng)軍人物，林家翹先生卻轉(zhuǎn)戰(zhàn)天體化學(xué)，成立了密度波理論，提出了困惑天文界數(shù)六年之久的盤狀星體螺旋結(jié)構(gòu)纏卷困局的可能解決方案（圖5）。
假如故事就此打住，大約就是一碗不忘初心方得一直的勵志魚湯。
可世事常常就是如此的百轉(zhuǎn)千回，好多年后，李政道先生已經(jīng)半生學(xué)海奮戰(zhàn)，榮譽等身，相比于令他聲名鵲起的粒子化學(xué)，他的研究興趣更偏向微觀與宏觀相結(jié)合的領(lǐng)域。在他看來，包括宇宙起源的模擬、暗物質(zhì)、類恒星能源等眾多天體化學(xué)問題似乎將是新世紀(jì)數(shù)學(xué)學(xué)的風(fēng)口所向。早在20世紀(jì)80年代，李政道先生就已提出了孤子星的概念。所謂孤子星，本質(zhì)為一種冷的、穩(wěn)定的，理論上可能存在的大質(zhì)量致密星系。實際屬于由費米子組成的夸克星范疇。作為暗物質(zhì)的最佳候選者，孤子星模型已發(fā)展成為宇宙學(xué)中的重要研究方向。
2018年，廣州交通學(xué)院創(chuàng)立了李政道研究所，以天體化學(xué)學(xué)的各個前沿領(lǐng)域為主要研究方向。兜兜轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，那種對愛丁頓所著《膨脹的宇宙》興味盎然的少年，古稀之年仍然對頭頂這片星空無法忘懷。
正題：早年間，李政道還是河南學(xué)院的一名中學(xué)生時，曾師從束星北院士，這段經(jīng)歷為往前的求知時光打下了堅實的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。1946年，經(jīng)由吳大猷、葉企孫推薦，年僅19歲的李政道揮別故土親朋，登上了駛向邁阿密的船只，這場境遇改變了他的一生。幾六年后，由李政道先生牽頭的中俄聯(lián)合培養(yǎng)數(shù)學(xué)類研究生考試留學(xué)計劃（），六年間選聘了諸多優(yōu)秀中學(xué)生抵達(dá)日本名校交流學(xué)習(xí)，受益者近千名。當(dāng)初的這批青年中學(xué)生，現(xiàn)在多成長為各個領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物。所謂弘揚，尚且這么吧。
參考文獻(xiàn)：
[1]趙天池，李政道評傳，中國計劃出版社，2017
[2]李政道選集1999，柳懷祖編，陜西文藝出版社
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[4]朱光亞，李政道數(shù)學(xué)生涯五六年
[5]李政道，1997，水、魚、魚市場，《科學(xué)》1997年第6期
[6]李政道，《〈束星北檔案〉序言》
本文10月17日首發(fā)于《賽先生》（ID：），經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載。賽先生由非營利公益組織上海市通州區(qū)智識前沿科技推動中心承辦，我們懷揣著“玩透科學(xué)，啟迪人生”的信念，希望通過有科普性、解說性、教育性的多媒體內(nèi)容，照亮更多的普通公眾對科學(xué)的熱情。
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