李政道：科学的发现和艺术的表达

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李政道获诺奖时的年龄尚不足31岁，迄今仍是次年轻的诺贝尔科学奖得主。本文与您一起了解下这位诺贝尔物理学奖获得者的生平和爱情、学术成就，回顾他对中国科学和教育事业的贡献。

1926年11月24日，李政道出生在上海一个中西合璧的殷富商人基督教家庭，上有两个哥哥（李宏道、李崇道），下有两个弟弟（李达道、李学道）和一个妹妹（李雅芸）。

李政道自幼天资聪慧，心灵手巧，智商和情商都很高。虽然家中的宗教氛围浓厚，但从小就崇尚自然科学的他终生未曾信奉过宗教。受社会动荡和战争动乱等因素的影响，李政道从未取得过正式的小学、初中、高中和大学本科毕业文凭，唯一拥有的学位就是世界级名校芝加哥大学的博士毕业文凭，这一稀罕现象在全世界来说都属凤毛麟角。

英俊倜傥的李政道在芝大

凌宁和凌宣兄妹富有生物学天赋，凌宁1948年获芝加哥大学物理生物学博士学位，专攻电生理学，后成为美国细胞生理学领域的权威专家。凌宣也获得博士学位并成为加州大学圣塔芭芭拉分校（UCSB）细胞生物学教授，在业界备受尊崇。1991年诺贝尔生理学或医学奖的主要获奖成就膜片钳技术就是在凌宁等发明的格雷厄姆-杰勒德-凌（Graham-Gerard-Ling）玻璃管微电极基础上加以改进而取得的。

1947年8月23日，游览出发前凌宁、李政道和杨振宁

1950年6月3日，李政道和秦惠在芝加哥市政厅登记结婚并合影留念，秦惠是冲破家庭阻力而毅然非李不嫁的。婚后不久，秦惠便放弃继续深造，在家相夫教子。夫妇俩共育二子：长子李中清（历史学家和社会学家，生于1952年）和次子李中汉（化学家，生于1955年），均事业有成，家庭和睦。李秦伉俪忠贞不渝，情深意笃，琴瑟和鸣，白头偕老。1996年11月29日，秦惠因肺癌晚期而不幸逝于纽约市，享年仅68岁。

李政道和秦惠结婚纪念照

1957年10月31日，瑞典皇家科学院宣布授予普林斯顿高等研究院数学学院杨振宁教授和哥伦比亚大学物理系李政道教授以当年诺贝尔物理学奖，颁奖理由是“因他们对（弱相互作用中）宇称不守恒定律的深刻研究以及由此导致有关基本粒子方面的许多重要发现”。李杨自1956年10月1日正式发表论文《弱相互作用中的宇称守恒质疑》到以这一重大理论成果荣膺诺奖，历时仅13个月整，创下诺贝尔奖颁奖史上获奖最快的纪录，这一纪录至今仍未被打破。

瑞典国王给李政道颁授诺奖

当年杨李持有中华民国护照，首开中国人荣膺诺奖之先河。杨振宁和李政道分别于1964年3月23日和1963年1月21日才入籍美国，2015年4月1日杨振宁恢复中国籍而放弃美国国籍。自2015年3月19日以后，杨振宁和李政道教授已创造所有诺奖得主获奖后生存年限最长的世界纪录并仍在持续迭创新高，这项纪录早已逾60年之久。

李政道自1972年9月偕夫人首次回到祖国大陆访问和讲学之后，亲力亲为，呕心沥血，竭尽全力地为中国的人才培养以及基础科学的进步与发展出谋划策，贡献卓著。

科学和艺术是不可分割的，就像一枚硬币的两面。它们共同的基础是人类的创造力，它们追求的目标都是真理的普遍性。

除真空以外，什么都是由物质构成的。物理的、天文的、生物的、化学的物质体系，都是由同样的有限种类的粒子、原子、分子构成的。科学的目的就是研究一切物质的基本原理，即“物理”。中文名词“物理”，乃物之理也，最初包罗所有的科学，不限于西方名词“physics”所指的范围。

“物理”一词，可从杜甫的诗句中找到。杜甫是自古以来最伟大的诗人之一，他于唐肃宗乾元元年所做的《曲江二首》中有如下诗句：

细推物理须行乐，何用浮名绊此身。

这一非凡的诗句，道出了一个科学家工作的真正精神。不可能找出比“细”和“推”更恰当的字眼，来刻画对物理的探索。由此可见，在辉煌的中国文明历史中，艺术和科学一直是不可分割地联系在一起的。

新星和超新星的发现

近世出土的中国古代甲骨文中，留有世界上第一次发现新星的观测记录。新星是一种爆发变星。它本来很暗，通常不易看见，爆发后的亮度却可在几天到一个月的短暂期间内突然增强几万倍。使人误以为是一颗“新星”，故得此误称并沿用至今。在一片于公元前十三世纪的某一天刻写的甲骨文上，记载着位于心宿二附近的一次新星爆发。在这片甲骨文上，说到“新大星”时，所用的甲骨文“新”字中，包含着一个箭头，指向一个很奇怪的方向。这个古老生动、具有艺术形象的象形文字强调了科学发现的创新性，显示了科学发现和艺术表达的一致性。

在另一片于几天后刻写的甲骨文上，又记载了这颗星的亮度已经明显下降。新星爆发是因核的合成而发生的。在一颗恒星的整个演化过程中，可以数次变成新星；而变成超新星，却只有一次机会，那就是它“死亡”的时刻。超新星爆发是一种比新星爆发猛烈得多的天文事件，爆发时的亮度高达太阳亮度的百亿倍。它意味着这颗恒星的最后崩坍，或是变成星云遗迹，或是因其质量的不同而变成白矮星、中子星或黑洞。

超新星是罕见的天象，在《宋史》中有关于超新星的最早的完整记载。其中说到，在宋仁宗至和元年的一天，即公元1054年8月27日，大白天的天空中突然出现一个如鸡蛋大小的星体，其亮度缓慢地减弱，两年后，即于1056年4月变得难以观测。这颗超新星位于蟹状星云的区域，现在我们知道其中心确有一颗中子星（脉冲星）。《宋史》中对其亮度变化的详细记载与现代的天文知识完全相符。事实上，这是现存的第一个这样的科学记录。

屈原如何推断地球必须是圆的

另一个艺术与科学统一的杰出的例子是屈原的文章《天问》。在现存的屈原的十七卷作品中，它属于第三卷。这篇以气势磅礴的诗句写成的文章，完全可能是基于几何学分析、应用了精确推理的最早的宇宙学论文之一。我在这里抄录其中的两段：

九天之际，安放安属？隅隈多有，谁知其数？

东西南北，其修孰多？南北顺椭，其衍几何？

诗中的“九天”指天球的九个方向：东方昊天，东南方阳天，南方赤天，西南方朱天，西方成天，西北方幽天，北方玄天，东北方鸾天，中央钧天。

在第一段中，屈原推理道：假定天空的形状是半球，若地是平的，天地交接处必将充满奇怪的边边角角。什么能够放在哪里？它又属于什么？宇宙这种非解析的几何形状太不合理，因而不可能存在。因此，地和天必不能互相交接。两者必须都是圆的，天像蛋壳，地像蛋黄（当然其间没有蛋白），各自都能独立地转动。

在第二段中，屈原推测，地的形状可能偏离完美的球形。东西为经，南北为纬。屈原问道，哪个方向更长？换句话说，赤道圆周比赤经圆周更长还是更短？然后，他又问道，如果沿赤道椭圆弧运动，它又应当有多长？

今天我们知道，地球的赤道半径（6378.14公里）略长于地球的极半径（6356.755公里）。而公元前5世纪的屈原，在推论出“地”必须是圆的之后，甚至还能继续想象出“地”是扁的椭球的可能性，堪称一个奇迹。这一几何、分析和对称性的绝妙运用，深刻地体现了艺术与科学的统一。

璧、琮、璇玑和正极

按中国的传统，玉璧代表天，玉琮代表地。《周礼》中就有“以苍壁礼天，以黄琮礼地”的说法。玉璧和玉琮，形状精美悦目，都是绝妙的艺术品。然而，人们却不知道它们的来源。这里，我想尝试地给出一种个人的新推测：也许璧和琮是某种更古老的天文仪器的艺术表现。

我们不妨设想，有一位生活在新石器时代的聪明祖先，他为美丽的夏季夜空所吸引，从入夜到拂晓，一直仰望着星星闪烁的清朗天穹，夜夜如此。当他发现天幕中所有的星星都缓缓绕着自己旋转时，自然会奇怪：什么宇宙之力能引起这样无限宏大的运动？而且，天空中有一个点是不动的，这又是为什么？

所有的转动都应当绕着一个不动的轴进行。天空中转动着的星星也一定绕着一个固定轴，即使我们看不见它。这个轴与半天球的交点决定了天空中的一个固定点（称为“正极”）。今天我们知道，这根轴就是地球的自转轴。我们的祖先虽不知道这些，但却聪明地领悟到，无论支配它的机制是什么，这一固定点具有根本的重要性，必须用仪器对它作精确定位。这就是我推测的璧和琮的来由。

璇玑是商代和商以前时期工艺品中的又一个谜，它很可能是新石器时代使用的一种真实仪器的艺术表现。按照西汉文献记载，璇玑是一种“径八尺，圆周二丈五尺”的圆盘，是“王者正天文之器”。自汉世以来，绝大多数人认为它是浑天仪的前身——璇玑玉衡中的一个部件。

最近我在想，一个新石器时代的中国天文学家，要把天空中的固定点准确定位到零点几度，可能设计一台怎样的科学仪器。

我想，他需要一个直径约八尺、中心有孔洞的大圆盘，盘的边缘刻有三个近似方形的凹槽。圆盘借中心孔洞，套装在一个约十五尺长的直圆柱筒上端，柱筒截面的中心有一个孔。当天文学家在柱筒的下端通过盘边的凹槽观测天空时，可以看到每个槽中都嵌有一颗亮星。在庞阳教授的帮助下，我推测这三颗星很可能是大熊座（北斗）的η星，以及天龙座的η星和λ星。随着夜色的推移，这三颗星在天幕上转动。为了使每个凹槽继续跟踪同一颗星（方形凹槽对此最有利），圆盘也需要作相应的转动。如果能精确地作这样的跟踪，就能从柱筒中心孔自动观测到天空中的固定点。

在盘的边缘有三个凹槽，这是决定圆心的充分必要条件。槽的位置，又取决于对需跟踪的三颗星的选择。为了得到最高的精确度，理想的设计是选择接近相等的间距。显然，盘越大、圆形越精确、圆柱筒越长，定位就越准确。在新石器时代的技术条件下，要以竹、木材料制作直圆筒，十五尺恐怕是极限长度了。为了使圆筒牢固与准直，还要在空心圆柱之外加上一个更结实的套筒，比如一个硬木制的用石头加固的方形套筒。这样，就成了一台仪器，我们不妨把它叫做“璇玑仪”。

如果天空的固定点——正极，恰处于某一颗星的附近，人们定位的好奇心会更加强烈。如今，正极靠近小熊座的α星。过去的情况却并非如此，只是在公元前2700年左右是个例外。在更古老的年代，天龙座的α星几乎与正极相重。前面提到的三颗星，即天龙座的η星、λ星和大熊座的η星，在当时都是相对比较亮的星。巨大的“璇玑仪”很可能就是那个时期制造的。而天龙座的重要性也由此得到重视。

从新石器时代进化到商代，这一科学的成就又激发了艺术的创造力。巨大的“璇玑仪”的部件演变成象征性的精细抛光的玉制艺术品：刻意带了槽的玉片是商代的玉璇玑，不带槽的玉片是商玉璧，而圆柱筒和它的方形套筒则演化成商玉琮。

圆盘追踪于天，而方形套筒和圆柱筒则置于地。这就是璧表示天，琮表示地的原因。两者都是中华古代文明的杰出象征。作为玉雕，它是艺术；作为原始仪器，它是科学。艺术与科学如此紧密的联结，这正是中国文化固有的内涵。幸运的是，我们至今还保存着这些精美的商代玉器。通过这些艺术品，我们才得以一瞥祖先的科学成就。

在构思重建这一古代仪器的过程中，袁运甫教授的一幅关于汉镜与自由电子激光的画作，给了我极大的鼓励。几年前，亚洲的第一束自由电子激光在中国成功地产生。1995年，CCAST组织了一次国际研讨会，庆祝这一成就。袁运甫教授奉献的杰作，用自由电子激光为桥梁，沟通了我国古代的成就和现代的功业。

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讲得好！

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