懷念李政道教授——我的回憶和他對重離子物理學的貢獻

永宮正治與李政道相交數(shù)十年，二人在重離子物理學領域有著諸多深度學術互動，也留存下諸多珍貴的回憶。為緬懷李政道教授，永宮正治以個人親歷視角撰文，講述李政道在重離子物理領域的學術貢獻，尤其是推動相對論重離子對撞機（RHIC）建造，整合形成 PHENIX 實驗合作組和創(chuàng)立 RBRC 研究中心等。

撰文 | 永宮正治（KEK, 1-1 Oho, Tsukuba-shi, 305-0801, Japan; RIKEN, 2-1 Hirosawa, Wako-shi,351-0106, Japan）

翻譯 | 馬余剛（復旦大學現(xiàn)代物理研究所）

01

序言

李政道教授于2024年8月4日去世，享年97歲。他的去世不僅是整個世界的巨大損失，也是相對論重離子物理領域的巨大損失。在這篇文章中，我想分享我對他的個人回憶，并回顧他對重離子物理學的貢獻。由于我經(jīng)常把李政道教授簡稱為“TD (政道) ”，因此在本文中我將一直使用“政道”。

我第一次見到政道是在1974年，當時他47歲，我30歲。那一年也標志著我開始全面參與位于勞倫斯-伯克利實驗室 (LBL) 的貝瓦拉克相對論重離子實驗。在此期間，政道做了一場關于“李-維克物質”的精彩演講，給我留下了深刻的印象。這是我第一次在這個新領域遇到政道，當然，他當時并不知道我的存在。

李-維克物質是由政道和Gian-Carlo Wick (維克) 提出的一個極具挑戰(zhàn)性的理論模型。該理論認為，在高密度核物質中，核子的質量降為零。這一觀點在重離子物理學中至關重要，因為它表明可能存在一種只有在極端高密度的核物質條件下才會出現(xiàn)的新物質狀態(tài)。根據(jù)高能物理中使用的σ模型，由于自發(fā)對稱性破缺，核子 (質子和中子) 在真空中的質量是有限的；然而，在足夠致密的核物質中，預計會出現(xiàn)零質量狀態(tài)。

同年11月29日至12月1日，政道組織了熊山重離子學校。這所學校成為重離子物理學領域的里程碑事件，為先驅研究人員提供了一個交流思想和知識的寶貴平臺。我對萊昂-萊德曼在那次學習班上的一段話記憶猶新：“五年前 (1969年) ，我們在歐洲核子研究中心的ISR (交叉存儲環(huán)) 討論了U+U碰撞的可能性”。

1993年，在布魯克海文國家實驗室 (BNL)，原定建造的200 GeV 質子對撞機項目ISABELLE被正式取消。政道對此自然感到惋惜。與此同時，他向當時的實驗室主任Nick Samios 提出建議，建議將現(xiàn)有的對撞環(huán)改造為重離子對撞機——這就是后來被稱為RHIC (相對論重離子對撞機) 的項目 (見圖1)。同年，夸克物質國際會議在BNL舉行，這是重離子碰撞理論領域的一項重要國際會議。在會議上，政道的RHIC提議得到了核物理界的廣泛支持，進一步強調了該項目的重要性。

圖1 ISABELLE項目取消后，其加速環(huán)被改造用于RHIC

02

我與李政道教授的相識

1982年，我從加利福尼亞大學勞倫斯-伯克利實驗室 (LBL) 回到日本，開始在東京大學工作。1982年至1983年間，我提議在日本高能物理研究所 (KEK，當時名為日本高能物理國家實驗室) 利用12GeV質子同步加速器進行幾項重離子實驗。然而，KEK當時的官方政策只允許質子加速，不允許重離子束，這迫使我不得不探索其他方案。

不久之后，我訪問了布魯克海文國家實驗室 (BNL)，在那里的自助餐廳碰巧遇到了我在麻省理工學院 (MIT) 的老朋友李-格羅津斯。我們曾在超精細相互作用領域有過合作。機緣巧合之下，這次會面成為我職業(yè)生涯的關鍵時刻。格羅津斯對我在KEK的實驗想法很感興趣，邀請我到BNL與他共事。當時，BNL正在探索利用交變梯度同步加速器 (AGS) 建造重離子加速器的方案。由于這次幸運的相遇，我們得以與東京大學、麻省理工學院和BNL的團隊合作，在AGS啟動了一系列重離子實驗。

在哥倫比亞大學，我發(fā)表演講，介紹了我在貝瓦拉克的研究成果。演講結束后，沒想到政道竟邀請我去他在校園附近的公寓，帶我參觀內部裝飾。這個突然的邀請讓我倍感意外。更讓我困惑的是，政道還請哥倫比亞大學的Wonyong Lee 帶我參觀了附近的房子。后來我才明白，這是政道發(fā)出工作邀請的獨特方式。雖然一開始我很困惑，但最終還是接受了。1986年6月，我成為哥倫比亞大學的教授。

03

開始在哥倫比亞大學的生活

我在哥倫比亞大學的新辦公室在八樓，正對著政道的辦公室。他說：“這個房間非常適合重離子物理學。”他指出，這個房間以前屬于吉安-卡羅-維克，他因對李-維克物質的貢獻而聞名。能占據(jù)這樣一個具有歷史意義的房間，我深感榮幸。由于距離政道的辦公室只有幾步之遙，在此期間，我有幸與他進行了頻繁而富有啟發(fā)性的交談。

1986年，我搬到哥倫比亞大學后不久，哥倫比亞大學舉行了盛大的慶祝活動，紀念政道60歲生日和發(fā)現(xiàn)宇稱不守恒30周年。這次活動聚集了300多位杰出的科學家，其中包括20多位諾貝爾獎獲得者。這么多杰出人物齊聚一堂，給我留下了由衷的印象，也讓我心潮澎湃。這次活動給我留下了由衷的敬畏和深刻的啟發(fā)。在拍攝的眾多照片中，圖2展示了吳健雄、她的丈夫袁家騮和吳大猷，吳大猷是李政道和楊振寧的導師。

圖2在李政道60壽辰慶典上，李政道、吳健雄、袁家騮與吳大猷合影

同年，我們在BNL-AGS 的實驗也開始了。在固定靶的實驗中，我們觀察到在每核子13~14GeV能量下對撞的原子核相對于彼此完全停止——這表明可能會形成密度極高的物質。相比之下，RHIC等對撞機實驗使用的是質心系每核子200GeV的能量，預計會產生主要由介子組成的熱物質，因為原子核會相互穿過。

這些截然不同的特性在1990年左右就已經(jīng)被預測到了，后來在2000年RHIC開始運行時得到了實驗證實。

從溫度(T)和密度(ρ)相圖來看，AGS實驗產生的是高密度物質，而RHIC產生的是重子密度接近零的高溫物質。這些差異如圖3所示。

圖3 AGS與RHIC上預期的反應動力學(a)，以及其在核物質相圖中溫度(T)與密度(ρ)平面上的投影(b)。圖示繪制于1990年前后

04

1990年前后的幾次插曲

在20世紀80年代末到90年代初，我經(jīng)歷了六次與政道有關的難忘插曲，在此記錄下來。

第一件事：政道請我?guī)椭x拔對重離子物理感興趣的中國年輕物理學家。為了支持這項工作，他主動提出借用他在北京大學的辦公室，作為進行訪談的場所。由于他的慷慨，我得以與幾位有前途的中國研究人員合作。特別是，我有機會與詹文龍博士合作，他后來成為中國科學院副院長。

第二件事：這個故事同樣涉及中國的年輕物理學家，但范圍更廣。1979年，政道發(fā)起了一項名為CUSPEA (中美聯(lián)合培養(yǎng)物理類研究生計劃) 的開創(chuàng)性計劃。通過該計劃，每年從中國選拔出100多名學生。無論是中國申請者還是渴望錄取他們的美國大學，競爭都非常激烈。政道最初的設想是讓這些學生回到中國并獲得學術職位。

然而，到了20世紀80年代末，出于某些考慮，政道決定終止CUSPEA。盡管感到失望，但我認為CUSPEA取得了巨大成功，因為它培養(yǎng)了一代中國頂尖物理學家。

第三件事：本件事的中心內容是BNL的AGS (交變梯度同步加速器)。政道組織了一次大型研討會，評估所有與AGS相關的活動 (見圖4)。與會者包括因發(fā)現(xiàn)μ子中微子而聞名的梅爾-施瓦茨、代表丁肇中發(fā)現(xiàn)J/Ψ粒子的吳秀蘭、政道本人、稀有衰變專家邁克-澤勒和比爾-莫爾松以及代表重離子物理學領域的我本人。這是一個總結AGS科學貢獻的理想時刻，因為該設施即將關閉。

圖4 AGS綜述研討會上的一張合影。從左至右依次為：Mel Schwartz、Bill Wallenmeyer、San Lan Wu、李政道、Mike Zeller、Bill Molzon，以及我本人

第四件事：讀者可能對這一件事特別感興趣。1991年，我擔任哥倫比亞大學物理系主任。一天，我在系里的地下室發(fā)現(xiàn)了一捆具有重要歷史意義的信件。已經(jīng)退休的薩姆-德文斯教授向我通報了這些信件的情況，并說它們暫時存放在政道的辦公室里。

當我在政道的辦公室檢查這些信件時，發(fā)現(xiàn)它們是物理學界重要人物——H. A. 洛倫茨、馬克斯-普朗克、阿爾伯特-愛因斯坦、尼爾斯-玻爾、恩里科-費米等人的手寫信件。其中，費米的四封信尤其引人注目。

經(jīng)過討論，政道同意將這些信件匯編成一本小冊子，其中包括物理系的簡史，并分發(fā)給新生。該計劃后來擴大到將正式檔案存放在大學主圖書館。由于哥倫比亞大學每年只招收10到20名物理學專業(yè)的本科生，他計劃制作的2000本小冊子可以在未來100年內分發(fā)。這的確是一個絕妙的主意。

費米1938年9月4日的一封信值得特別關注。當時，意大利正處于墨索里尼法西斯政權統(tǒng)治之下，與納粹德國結盟，并頒布了歧視猶太人的“種族保護法”，尤其是在學術界。費米的妻子是猶太人，他寫信給哥倫比亞大學物理系系主任 G. B. 佩格勒姆，詢問兩年前給他的教授職位是否還有空缺—即使不是完全相同的職位 (見圖5)。佩格勒姆立即給予了肯定的答復。

圖5恩里科·費米的來信，請求哥倫比亞大學為他安排一個職位

同年晚些時候，費米獲得了諾貝爾獎。抓住這個機會，他和家人從斯德哥爾摩逃到了美國。1939年1月，他成為哥倫比亞大學的教授。

第五件事：這一件事更具個人色彩。1991年，在一次例行訪華中，政道在日本大阪作了短暫停留。我在機場見到了他，并一起乘火車前往金澤參加核-核碰撞國際會議。在那里，政道就相對論重離子物理學的意義發(fā)表了精彩演講。

在火車上經(jīng)過一個農村小鎮(zhèn)時，我想起了自己的童年。第二次世界大戰(zhàn)期間，我在城里的家被炸毀，我在農村生活了幾年。在旅途中，我與政道分享了這些記憶——這些對話我至今記憶猶新。

最后一件事：這件事也是我的個人記憶。大約在那個時候，政道和他的妻子秦惠? (李珍妮特) 經(jīng)常邀請我和我的妻子去他們的公寓 (見圖6)。珍妮特當時身體很好，但不幸于1996年去世。

圖6在政道的公寓中(左起:李夫人珍妮特、我本人、魯?shù)侣蛉恕⒄溃约拔业钠拮?strong>)

05

關于RHIC實驗的建議

讓我們回到RHIC的故事上來。1990年，在RHIC加速器獲得正式建造批準后，立即就計劃中的實驗展開了公開和建設性的討論。討論結束后，1991年，四個研究小組提交了實驗提案，每個小組都受到3000萬美元預算上限的限制。最終，只有兩個探測器系統(tǒng)獲得批準。

我們小組與歐洲核子研究中心小組合作，提交了一份名為OASIS的實驗提案。其目的是測量雙電子和光子，以及在有限的實體角內識別質子、K介子和π介子等強子，但要有全方位角(2π)覆蓋。相比之下，STAR (RHIC 的螺旋管徑跡探測器) 提案的目標是實現(xiàn)近乎全4π的覆蓋，但沒有詳細的粒子識別。另一項提案“Di-Muon”側重于雙繆子測量，而規(guī)模較小的項目“SPARC/Tales”則建議在較窄的角度范圍內測量雙電子和強子。

我自然而然地與政道討論了OASIS的提案，政道鼓勵我繼續(xù)研究。不久之后，1991年夏末，計劃咨詢委員會 (PAC) 召開了會議。最終，STAR實驗獲得批準，而其他三項建議 (包括OASIS) 則被否決，不過委員會建議將其余建議合并為一項。

政道博士對這一結果并不滿意，部分原因可能是我參與了OASIS提議。盡管如此，他還是采取了積極主動的措施，組織了一次晚宴，將BNL的領導層召集在一起：主任尼克-薩米奧斯和他的妻子、副主任梅爾-施瓦茨和他的妻子、政道和他的妻子，以及我和我的妻子。

這次聚會的結果是，三項被否決的提案在1991年晚些時候成功合并，并以PHENIX的名稱重新啟動，就像傳說中鳳凰涅槃一樣。

然而，如前所述，美國能源部 (DOE) 對PHENIX的資助上限為3000萬美元。幸運的是，日本的KEK公司提供了1000多萬美元經(jīng)費，用于支持雙電子測量部分。即便如此，雙繆子探測工作仍有1000萬美元的資金缺口。這標志著我漫長而充滿挑戰(zhàn)的旅程的開始。

06

理化學研究所捐款

1992年初，在PHENIX重獲新生后不久，我決定尋求日本理化學研究所 (RIKEN) 的支持，以幫助支付雙繆子測量的費用。經(jīng)過幾輪談判，理化學研究所同意支持擴大RHIC項目，將自旋物理計劃納入其中，包括安裝西伯利亞蛇和自旋旋轉器。

幸運的是，到1994年底，日本理化學研究所正式批準了自旋計劃和用于雙繆子探測器的1000萬美元資金，使PHENIX項目得以繼續(xù)推進。后來，負責自旋項目的研究小組也加入了PHENIX合作項目。

1995年，美國能源部 (DOE) 又為日本理化學研究所提供了1000萬美元，作為支持雙繆子探測器的配套資金。因此，PHENIX能夠安裝兩個μ介子臂-一個由理化學研究所資助，另一個由能源部資助。PHENIX探測器的完整結構如圖7所示。與此同時，能源部還額外撥款1000萬美元支持STAR實驗。

圖7接近最終形態(tài)的PHENIX探測器

1995~1996年，在日本理化學研究所的幫助下，我開始尋找自旋物理學的理論帶頭人。這一點非常重要，因為能源部將自旋物理歸入高能范疇，而RHIC則歸入核物理范疇。因此，我們需要強大的理論支持。我的首選是麻省理工學院的鮑勃-賈菲教授。他仔細考慮了這個提議，但最終拒絕了，因為他無法承擔更多的工作。

隨后，我去了政道的辦公室，向他咨詢誰適合這個職位。當時，我們沒有找到具體的解決方案。然而，令我驚訝的是，僅僅幾個小時后，政道就來到我的辦公室，對我說：

“如果我自己來擔任這個角色怎么樣？”

我深感驚訝，立即給時任日本理化學研究所所長有馬朗人發(fā)了一份傳真，征求他的意見。隨后，日本理化學研究所內部進行了多次討論，最終，有馬所長提議任命政道擔任新成立的日本理化學研究所(RIKEN) -BNL 研究中心 (RBRC) 主任，而不僅是理論顧問。

這成為我對RBRC成立的微薄貢獻，RBRC于1997年正式啟動。

07

日本理化學研究所-BNL研究中心

自政道于1997年擔任日本理化學研究所-BNL研究中心 (RBRC) 的創(chuàng)始主任以來，該中心取得了令人矚目的成就。成功背后的一個關鍵因素是政道引入了大學和日本理化學研究所之間的聯(lián)合任命制度，根據(jù)該制度，研究人員與每個機構各擁有50%的隸屬關系。這一創(chuàng)新框架使RBRC能夠吸引和培養(yǎng)許多杰出的物理學家。

此外，RBRC的Lattice QCD (格點量子色動力學) 團隊也取得了卓越的成果，該中心成為眾多著名理論家的搖籃。RBRC很快獲得了國際認可，成為日本和美國之間最成功、最引人注目的聯(lián)合研究項目之一。毋庸置疑，政道孜孜不倦的奉獻精神是這一成功的核心所在。

RBRC的其他主要成就包括(a)在STAR和PHENIX中安裝了自旋旋轉器和西伯利亞蛇，它們是在加速器中保持束流極化的裝置；(b)為PHENIX開發(fā)和部署了高性能雙繆子探測器。

政道還邀請著名藝術家李可染創(chuàng)作了一件象征在高能重離子碰撞中創(chuàng)造新物質的藝術作品。這件作品成為RBRC的標志性代表 (見圖8)。

圖8核子重如牛，對撞(重離子對重離子)生新態(tài)

1997~2004年，在政道的領導下，RBRC蓬勃發(fā)展。在其繼任者的得力領導下，中心繼續(xù)蓬勃發(fā)展：他們是尼克-薩米奧斯、薩姆-阿倫森、延與秀人和鮑勃-特里布爾。

08

我回到日本

1997年，由于日本缺乏能夠領導大型核物理項目的接班人，我回到了日本。我回國的一個主要動機是有馬郎人教授的直接請求，他后來擔任日本文部科學省大臣。

回到日本后，我們制定了新的計劃，并向國際咨詢委員會提交了修訂后的提案，該委員會成員包括Erich Vogt、T. D. Lee、Akito Arima (有馬朗人)、Masatoshi Koshiba (小柴昌俊) 等。在給予贊揚和鼓勵的同時，委員會建議繼續(xù)建設日本強子設施 (JHF)，該設施后來發(fā)展成為J-PARC (日本質子加速器研究中心)。

此后，政道多次訪問日本。例如，1999年秋天，他出席了在島根縣松江區(qū)舉行的日本物理學會年會，并在會上發(fā)表了精力充沛、令人難忘的演講。

最終，RBRC在美國設立了約40個研究職位，在日本設立了類似數(shù)量的職位，在歐洲設立了約16個職位。為表彰他對日美科學合作的杰出貢獻，2007年，政道被日本政府授予旭日勛章、金質勛章和銀質勛章。這是日本的最高榮譽之一，用于表彰在促進國際合作方面取得的卓越成就 (見圖9)。

圖9 (a)在因其對日美合作作出重大貢獻而獲得“日本功績勛章”；(b)政道的右側為當時理化學研究所(RIKEN)所長、2001年諾貝爾化學獎獲得者野依良治博士

2007年夏天，國際核物理大會 (INPC) 在東京舉行，吸引了1000多名與會者。在主會場會議的前一天，我組織了為期一天的特別研討會，紀念湯川秀樹博士100周年誕辰。應邀發(fā)言的有T. D. Lee、Leon Cooper、Yoichiro Nambu 和 John Schiffer——他們都是著名的物理學家。

我特別邀請了政道，因為他繼承了湯川博士以前在哥倫比亞大學的辦公室，他對此感到非常自豪。湯川在哥倫比亞大學期間獲得了諾貝爾獎，后來，政道也搬進了同一間辦公室。我在哥倫比亞大學就讀期間，政道經(jīng)常懷著崇敬的心情談起這種聯(lián)系。例如，他曾自豪地向我展示他從湯川那里繼承的家具和黑板。

遺憾的是，庫珀教授由于當時擔任布朗大學校長，不得不取消了他的來訪。不過，政道在孫子和他們母親的陪同下，非常享受他的東京之行。

在中國逗留訪問北京期間，我一直期待著訪問中國高等科學技術中心 (CCAST)，并有幸多次與政道共進晚餐。我最后一次與政道一起訪問CCAST是在2008年。那次，我的老朋友橋本大作也來了。

2009年，我前往上海參加亞太物理學會 (AAPPS) 會議。訪問期間，我參觀了上海交通大學李政道圖書館。我被館內規(guī)模宏大、內容豐富的展品深深打動，這些展品精美地記錄了李政道的整個生平和職業(yè)生涯。這一印象至今記憶猶新。

09

李政道教授從哥倫比亞大學退休后

李政道教授從哥倫比亞大學退休后，他的辦公室進行了裝修。2014年我去拜訪他時，工程仍在進行，他的秘書很友好地為我和政道在他原來的辦公室拍了一張照片 (見圖10)。

圖10(a)2014年我拜訪政道時，他退休后的辦公室正在裝修。他的秘書在裝修期間拍攝了這張照片；(b)政道的黑板，最初屬于湯川秀樹，后來被贈送給大阪大學

如前所述，政道與湯川秀樹博士有著深厚而持久的聯(lián)系。政道退休后，政道的黑板被轉交給了大阪大學，因為湯川博士曾在該校任職期間撰寫了其開創(chuàng)性的論文。如今，這塊黑板仍被大阪大學積極用于研究和教學 (如圖10 所示)。

我收到政道博士的最后一封信是在2019年，當時他已93歲高齡。信中附有一張素描，是他離開紐約后搬到舊金山新家附近的公園里畫的一朵花。值得注意的是，即使到了這個年紀，他的字跡依然清晰遒勁。

孔子曾經(jīng)說過“吾十有五而志于學，三十而立，四十而不惑，五十而知天命，六十而耳順，七十而從心所欲不逾矩”。

我第一次接觸博士是在他五十歲左右。在他六十多歲時，我們相互了解，關系越來越好。他在七十歲時擔任了RBRC的主任。博士三十歲時就獲得了諾貝爾獎，五十多歲時仍處于事業(yè)的巔峰。即便如此，他在物理學，特別是相對論重離子碰撞方面的影響依然巨大。

10

結束語

如開頭所述，我們懷著沉痛的心情與大家分享李政道教授于2024年8月4日逝世的消息，享年97歲。他的去世是全球物理學界，尤其是重離子物理學界的巨大損失。

就個人而言，他的離去在所有有幸認識他的人心中留下了不可替代的空白。

愿他的非凡成就繼續(xù)激勵后人，愿他的精神通過他畢生工作的永恒遺產而永垂不朽。

本文經(jīng)授權轉載自微信公眾號“現(xiàn)代物理知識雜志”，編輯：YWA。

特 別 提 示

1. 進入『返樸』微信公眾號底部菜單“精品專欄“，可查閱不同主題系列科普文章。

2.『返樸』提供按月檢索文章功能。關注公眾號，回復四位數(shù)組成的年份+月份，如“1903”，可獲取2019年3月的文章索引，以此類推。