李政道对话北大学子：宇宙的实质远远超出人类的理解-创新-知识分子

李政道对话北大学子：宇宙的实质远远超出人类的理解

2021/11/27

导读

注：本文来自于北京大学学报（自然科学版）第39卷增刊（2003年12月），感谢北京大学物理学院2006届本科/2011届博士毕业生校友、中国科学院高能物理研究所张昊副研究员重校。审核：穆良柱。《赛先生》转载自《北大物理人》，原标题为“物理学的研究永无止境”。启蒙·探索·创造如果你拥有一颗好奇心如果你相信世界是可以理解的欢迎关注我们投稿、授权等请联系

11月23日，北京现代物理研究中心成立35周年暨庆贺李政道先生95岁华诞研讨会图片展在北京大学物理学院举行。图/李晓明

李政道先生近日为北京现代物理研究中心成立35周年题词。图源：北京大学微信公号

导读

近日，李政道先生手书“悠悠燕园情，遥遥故人思”，祝贺北京现代物理研究中心成立35周年，该中心是由李政道先生1986年提议成立的，作为培养高级科技人才的开放型教学科研基地。

李政道与北大的渊源颇深。1945年，因战乱被迫中断在浙大学业的李政道辗转来到昆明，得到北大物理系教授吴大猷推荐，作为北京大学学生注册，正式转学至西南联合大学物理系学习。2003年，李政道应邀在庆祝北京大学物理学科建立90周年庆典活动上演讲，并与北大学子进行座谈。本文节选自当时座谈实录。《赛先生》转载自“北大物理人”公号，以飨读者。

物理学的研究永无止境

——李政道先生报告座谈会纪实（节选）

于海明、张昊、王雷根据录音整理

2003年9月15日于北京大学物理学院

许智宏校长：

尊敬的李政道先生，各位老师和同学：

今天我们非常高兴地请来了世界著名物理学家李政道先生与大家座谈。参加座谈会的还有副校长林建华教授，物理学院院长叶沿林教授，原北京大学副校长和长期参与领导物理系工作的沈克琦教授，原物理系主任、著名教育家赵凯华教授。

李政道先生曾经在浙江大学和西南联大学习本科，1946年通过吴大猷教授的选拔推荐到美国芝加哥大学念研究生，在费米教授的指导下从事研究工作。由于弱相互作用中宇称不守恒的突破性贡献，李政道先生与杨振宁先生一起获得了1957年诺贝尔物理学奖。

几十年来，李先生在粒子物理、天体物理、流体物理、固体物理、统计力学和多体问题、中微子物理等诸多方面取得饮誉世界的成就，是国际公认的物理学大师。同时，李先生十分关心中国的科教事业和青年人的成长。

20世纪80年代，李先生耗费了大量精力，亲自主持和办理CUSPEA（中美联合培养物理类研究生计划——编者注），历时10年之久，980多位优秀中国学生因此获得机会到美国一流大学深造，推动了中国和国际物理学的发展。著名的北京正负电子对撞机的建造和发展，也一直得到李先生的大力支持和帮助。

李先生是北京大学名誉教授，北京现代物理研究中心主任，对北大的发展给予了深切的关心和指导，对北大物理学科做出了极为珍贵的贡献，在北大师生中有巨大的影响。

从1913年京师大学设物理门开始，北京大学物理学科已经走过了90年的历史，这是中国历史最长的物理学本科教育。90年来，有过最初的创业艰难，有过西南联大的硝烟与辉煌，有过解放后的蓬勃发展，也有过10年的曲折和困惑，更有改革开放以来的巨大进步。2001年，北京大学物理学院成立，整合了原来几个单位的物理学科资源，成为北京大学创建世界一流大学的重要力量。

今天，在庆祝北京大学物理学科90周年的时候，我们有幸请到了李政道教授来与大家座谈，这是我们聆听教诲、交流思想、推进学术的极好机会。希望大家踊跃提问发言，与大师直接对话。下面我们请李先生给我们讲话。

李政道先生：尊敬的许校长、林副校长、沈克琦校长、叶院长、赵教授，尊敬的同学们：

我在西南联大虽然没有毕业，但对我是很重要的。同学们年轻，可能不知道，西南联大是在抗战的时候由北大、清华、南开3个学校搬到云南昆明成立的。

我是在1945年入联大二年级物理系的学生，一年级是在浙江大学念的。可是那个时候浙江大学也并不是在浙江，是在贵州。二年级转到联大，在联大并没有念完，1946年到美国芝加哥大学。

像许校长所说的，进了研究院。我对母校之一的北大是有很深的感情的。今天有这个机会，我就像回到家里一样。同学们可以随便问关于物理的问题或者跟物理有关的问题，我们随便聊聊天吧。

问：您觉得我们人类用数学能够完整地、完全精确地来描述整个物质世界和我们人类自身的意识吗？

李政道先生：我们物理有两方面，物理的基础是永远在实验，是在观察自然界；然后我们要很准确地把它表达出来。表达的方式，由于它的准确性，必须用数学。所以数学是必需的一个工具。我们需要的数学可能是数学家已经发明和发展了的，也可能还没有。

举个例子，牛顿研究万有引力。万有引力的观测是在牛顿以前，是开普勒和伽利略。那个时候，他们想像引力和距离的平方成反比，可是没法解轨道运动。他们已经知道了离心力和引力要平衡。圆的轨道很容易找出来，可是地球绕太阳不是圆的轨道，是椭圆形的。椭圆轨道就很难解。后来牛顿发明了微分和积分，就把这个问题解决了。观测需要表达，就把数学的微分和积分的一部分发明出来了。

所以我这里要讲的是物理的准确的表达需要数学。英文叫by definition is mathematics。这里的数学并不是数学家已经想出来的，数学家想的数学可以说是来自人类内心的，可是物理上用的数学是来自自然界的，来源不一样，不过语言有共同性。所以我们觉得，我们念物理的人真正要了解的并不是数学，数学只是个工具。我们要了解的是自然界的形态和道理，可是自然界是很准确的，所以自动的，这个了解的表达就是数学。

问：在本科生阶段您认为物理学习最重要的、一个人终生难以忘记的本领和最需要注意的是什么？

李政道先生：终生受益我很难讲。不过呢，作为一个做物理的人，本科生、研究生、博士生以及后来做教授，都是一样的，从一开始就应该知道你为什么要念物理。

物理是研究物质的原理的。一个人要追求物质的原理，最大的是全宇宙物质的原理。假如你本科学习能把这个抓住，锻炼你自己的能力，那么你这一生就可以向这条路上走。本科生是这样，研究生是这样，博士生也是这样，做教授也是这样。

问：您对霍金说的“近20年内宇宙的‘大统一’理论就能够获得完善”这句话如何评价？

李政道先生：霍金当然有很大的成就。至于说过20年可以了解什么，再过20年又可以了解什么，好像是18年以后又是一条好汉，这是没什么道理的。因为我们对宇宙的了解，不光是人的一生，不光是我们和下一代的一生，人类永远要追求下去。

因为宇宙本身在变，“大统一”理论的名字是“大统一”，但没有一个理论真正是“大统一”的。我们对宇宙并没有一个“大统一”的观测。观测不断在改进，理论也会不断跟着改。尤其是现在，对于宇宙的边界不清楚，简单地说，我们发现暗物质暗能量在我们的宇宙中极为广泛。暗物质和我们熟悉的物质不完全一样，暗能量和我们熟悉的能量也不完全一样。

宇宙的实质远远超过我们人类自己的了解。所以凡是讲20年后可以完成的都是空话，等你完成的时候再说。所以我想说，要想把整个宇宙完全了解，20年不止，再过20年也不止，人类是永远在追求最后的怎么样。再过几百万年，人类还有不知道的事情，还是会研究宇宙，可能和我们现在观测的完全不一样，不过还是看不到底，因为宇宙是近于无穷的，而我们是有穷的。可是我们可以了解得很多，我们越是花功夫在上面，我们了解得越多。

问：您在进行物理研究的时候是抱有怎样的哲学思想呢？

李政道先生：我对哲学是外行。物理和其他科学是根据物质世界产生的问题去找解答, 而不是以人的意志为主来判断。如果我的了解没错, 哲学是以人为主去研究外面世界, 而我们是以物质为主去研究变化的过程。我们研究的理论可能对哲学家也有一定道理，但那是后果，而不是开头就用哲学，这是最大的区别。

举个例子, 比如说宇称守恒, 整个宇宙是应该宇称守恒还是不守恒呢? 这很难讲, 因为哲学家可以说按照内在的判断它一定是守恒的, 也许另外一个哲学家说一定不守恒。而我们不是这样, 我们是要说, 宇宙对这些对称性真的守恒还是不守恒, 要通过观察归纳出一套理论。那个理论对哲学有影响, 可是它的出发点不一样, 终点也不一样。

问：20世纪初，物理学一些看起来并不重要的问题最终导致了一场物理风暴，您认为短时间内这样的物理风暴会不会再次出现？

李政道先生：这当然可能，因为这种变革都是因为观测的事实引发的。比如经典力学变成相对论或者量子力学，就并不只是内在的发展，很大的一个动力是外在的。有很多现象经典物理没法解释，比方说在19世纪末迈克尔逊和莫雷的实验。

这个实验很简单，地球在转，光的速度顺着地球转的方向走和背着这方向走是一样的还是不一样？简单一想顺着转的方向应该快一点，因为要加上转的速度，背着转的方向应该慢一点，因为应该减去转的速度。可是他们测量出来完全一样。这个现象经典物理是没法解释的，爱因斯坦在1905年就创造了狭义相对论。

同样地，按照经典物理，原子里有电子绕着原子核转，是一个连续的轨道，因此它发出的光的波长也应该是连续性的。可是观测上凡是原子分子里发出的光都不是连续性的，光谱中某种波长特别强，经典物理没法解释，所以就产生了新的物理理论和新的物理实验。凡是这些，对我们讲不是乌云，是最令人兴奋的，越是不能解释越是一个挑战。

现在有没有同样的物理学不能解释的问题呢？这些现象是很多的。第一就是刚才讲的暗物质。占我们这个宇宙大部分的暗物质有万有引力，可是对光、对磁场、强相互作用、弱相互作用都没有反应，这显然是一个新现象。这是一类什么样的东西呢？

我们本来在20世纪的思路是从19世纪开始的，是还原论的思想，就是说大的是从小的开始，小的是从更小的开始，你只要研究最小的，你就懂得大的，也就懂得更大的。所以全部20世纪物理学的力量就集中于研究越来越小的对象，这非常成功。

在19世纪末，电子被发现。在20世纪前半叶，中子、后来介子等很多种粒子被发现。一直到20世纪下半叶才知道所有的物质都是由12种粒子组成，就是6种夸克和6种轻子，这是一个了不起的成果。可是了解这12种粒子并不等于我们能够了解整个的物质构造。

比如，夸克不能单独释放出来，这是十分稀奇的。我们现在认为这是因为真空是有变化的。什么叫真空呢？真空就是没有物质的态，没有物质的态怎么会有变化呢？让我们想什么叫没有物质的态呢，比如我们把这间屋子抽气，把空气抽得越稀薄越接近真空。在地球和太阳中间真空程度是相当高的，地球和别的一个星云之间更是接近于真空，可是万有引力可以通过去，地心吸引力使地球绕着太阳转。

同样，不同的星云之间也有吸引力。这就是说力场可以通过去，这就意味着真空会有涨落，所以它是有变化的。我们认为真空的这个变化导致了夸克的禁闭。这是什么意思呢？就是说最微观的粒子和最宏观的整个宇宙的真空是联系起来的。所以21世纪我们要研究整体统一。

对于这个问题，整体统一怎么研究，怎么把整个宇宙容纳到微观的世界，不是一句“大爆炸”就可以解释的，也不是一句“大统一”就可以解决的。“大统一”统一什么呢？我们连对象还没有搞清楚。当然，你说不管什么我都统一它，那也可以，不过显然你要了解什么是你要统一的对象，而这一点我们还没有了解。所以在21世纪我们面对的挑战并不小于在19世纪末20世纪初的那些挑战，我相信还有更大的变化。

不光物理是这样，再讲到生物，生物学最大的一个发展就是在20世纪中叶沃森和克里克提出DNA双螺旋结构。克里克是念物理的，他觉得生物也应该像物理，解释到越小越好，结果他们就发现了DNA，从此引出基因。可是即使你把所有的基因序列都弄清楚了，你还是不了解生命，因为基因是微观的，生命是宏观的。

就像我们物理一样，粒子只有12种，微观我们到顶点了，可是我们并不能够了解整个宇宙，所以21世纪我们要把微观和宏观联系起来。现在大家把基因摆来摆去很高兴，就像我们在20世纪时把基本粒子搞清楚一样进步很快，可是很快的排出基因序列后还是不懂生命，就像我们把粒子越找越小还是不懂宇宙，这两者是密切相关的。

因此我们要发明一些新的仪器，同时我们也希望发明新的数学，能够把宏观和微观连起来。物理学讲究精密度，我们的思想要有精密度，所以出来的是数学而不是哲学。这类思想方法因为有准确性，可以跟化学、生物等其他学科交叉，对那些学科也会起很大的作用。所以在21世纪我们要把微观和宏观统一起来，这才是我们的目标。

问：在您看来国外和国内的科研环境有哪些差别？我们许多人热衷于出国学习和研究。您对我们有什么忠告？

李政道先生：最重要的是学风。现在的教育一上网随便哪个国家都一样了，可是虽然网络连接很密切，但是每个地方有每个地方的学风，这是决然不一样的。

我来举一个例子。我在美国哥伦比亚大学有自己主持的理论组，6年以前日本政府和美国联合起来办一件事情。日方的理化研究所是在明治维新后办的，日本的几位有名的物理学家像汤川秀树、朝永振一郎都是理化研究所训练出来的，它的成功是很显然的。二次大战后，理化研究所关门了，不过在60年代后期又恢复了。

它是日本很重要的研究所。它的所长跟我谈，希望要在美国建立一个独立的物理中心，建在美国的国家实验室内，请我做主任。这是在6年前。其基金完全由日本政府出，由我管理，我一个星期去两三天，其他时间我都在纽约。中心里有三分之一是日本的研究人员，三分之二面向全世界招聘。

日本为什么要出这个基金放在美国，而且对日本自己的人有个上限？在日本年轻人受束缚很大，在国内没法一下子冲上去，所以它让它的年轻人在外面干几年再回来，养成一个新的风气。它养成风气的方法是投资，鼓励人到外国去，然后再回来。这一研究的经费完全是日本政府提供的。我觉得学风是非常重要的。实际上日本的科学技术非常发达了，但还需要这么做。我今天从你们问问题的活跃程度看，觉得这儿的学风好，用不着一定要到美国去。

问：请您简单回顾和评价一下您过去几十年的科学生涯，您有没有什么宝贵的经验愿意传授给在座的各位青年人？

李政道先生：我到美国去时才19岁，我现在再过两个月就77岁了，用几句话讲这一生是很困难的。不过最重要一点，对我来说，生活都是差不多的。研究的物理题目虽然在变，我的能力和体力年纪大了也在走下坡路，但我对物理的兴趣还跟年轻时一样。

这个世界永远给你新的问题，你考虑这些问题，就可以忘记其他的普通的事情，如买菜。所以说物理是我一生的一个追求和支柱。

问：您认为研究物理的学者们的天赋是天生就有的还是在学习物理的过程中培养出来的？

李政道先生：当然每个人都希望自己脑子好，身体好。我们就拿爱因斯坦来讲，爱因斯坦的工作是非常多的，他的成名之作就是狭义相对论，基础就是迈克尔逊-莫雷实验，光速与地球转动没有关系。光线方程是x²+y²+z²-c²t²=0，写这个方程需要多高的天赋？我相信你们一般都能写下来。假如沿x轴方向走，那么更简单了，把y、z去掉，x²-c²t²=0。

关键是光速与地球转动无关，是个固定值，那么需要定的是x和t是怎样变的。他假定这是一个线性变换，这个变换是很简单的，这就出来了狭义相对论。这里当然是有天赋了，他之前的人从来没这样说，他之后的人都这样说。可是这个问题难在什么地方呢？显然不是数学，而是他把光速提出来，其他都可以变，只有光速不变。这是个大胆的假设，他把这点抓住了，时间也变，空间也变，这就出来了狭义相对论。

你仔细考虑，他充分了解实验告诉你最重要的是哪一点。拿住这一点不放，其他都可以放。我不知道爱因斯坦当时是不是这样想的，不过假如你是爱因斯坦，知道迈克尔逊-莫雷实验，知道x²-c²t²=0，你怎么做？可能x在变，t在变，c在变，那就出来一个比较复杂的变换。而他抓住光速不变这一点，也许是灵感，也许不是一天两天得到的。得到这个以后，就出来一个变换，就是洛仑兹变换。

我们研究物理问题的时候，常有这样的感觉：原理本来就存在的。就像人们掘古文物一样，我们在掘自然界的真理，试各种的途径，试对以后，感觉自然界的变化好像有生命似的。

许智宏校长：今天虽然时间很短，但同学们提了很多精彩的问题，李先生也给了精彩的回答和演讲，涉及治学的问题，也涉及物理学很多领域，我想会给我们今天在座的同学们，特别是刚进北大的一年级同学留下深刻的印象。

李先生很谦虚，他讲他只涉及物理学问题，实际上，我听过李先生很多报告。李先生博学多才，虽然他的研究领域在物理学，但他在其他很多领域也有很深的造诣。

比如艺术，李先生的很多报告就是讲科学与艺术。李先生对我们的国画、书法、烹调都有很多的研究，在我国传统文化上有非常高的造诣。希望今后李先生能有更多的时间与我们同学在不同方面进行交流。