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李政道以幾句話的小詩，概括了物理學(xué)最基本的概念：微觀與宏觀，真空與對稱，直至世界萬物的本質(zhì)與本源。李政道先生曾應(yīng)華盛頓大學(xué)出版社的要求，撰寫了一套科普小書“Symmetries, asymmetries, and the world of particles”，此書是對這首小詩最好的詮釋。2021年，該書最新的中文版《對稱與不對稱》面世，其中除了包含北大朱允倫教授翻譯的該書，還收錄了李政道先生在中國的多次演講。

《對稱與不對稱》中信出版社，2021年

撰文 | 葛惟昆

李政道先生于1996年在一個關(guān)于“相對論性重離子碰撞”的暑期學(xué)校的致辭中，以一首簡短而深刻的的英文小詩結(jié)尾：

To know the smallest, we need the largest

Large things are made of small

And even smaller.

To know the smallest

We also need the largest.

All lie in vacuum

Everywhen and everywhere.

How can the micro

Be separate from the macro?

Let vacuum be

Violating harmony.

We can then penetrate

Through asymmetry to symmetry.

我們嘗試把它翻譯成中文：

大者基于小，甚或更小焉。

欲窮其極小，極大須鉆研。

真空存萬物，每處每瞬間。

何堪微觀物，不與宏觀連？

真空非一統(tǒng)，對稱生自然。

雖然是幾句話的小詩，卻寓意深邃、涵蓋廣遠(yuǎn)，概括了物理學(xué)最基本的概念：微觀與宏觀，真空與對稱，直至世界萬物的本質(zhì)與本源。

要理解這首詩的深意，李政道先生為華盛頓大學(xué)一套科學(xué)叢書所撰寫的一本小冊子《對稱，不對稱和粒子世界（Symmetries, asymmetries, and the world of particles）》應(yīng)該是最好的詮釋。該書在前蘇聯(lián)發(fā)行了2萬冊，在中國，臺灣學(xué)鼎出版有限公司和北京大學(xué)出版社分別出版了中文版，譯者都是朱允倫。在臺灣版的內(nèi)容簡介中，指出本書“描述了現(xiàn)代粒子物理的一些重要概念，諸如鏡像、時間反演和正反粒子交換對稱的破壞、失去的對稱性和夸克禁閉兩大難題等?！?/span>

讓我們依據(jù)李政道先生在這本書中的闡述，來理解他的詩作。

一

微觀與宏觀

大者基于小，甚或更小焉。

欲窮其極小，極大須鉆研。

Large things are made of small

And even smaller.

To know the smallest

We also need the largest.

人類對世界的好奇心，是科學(xué)發(fā)展的一大動力。大至宇宙，小至粒子，是人類追索的兩大極端，而智者則進(jìn)一步探求其間的關(guān)聯(lián)。李先生的西南聯(lián)大校友黃昆先生給半導(dǎo)體所的題詞說：“物窮其理，宏微交替?！?與李政道先生可謂英雄所見略同。

大與小，在物理學(xué)上有基本的意義。宏微有不同，從而有交替之言。凝聚態(tài)物理的開啟者安德森有一句銘言：“More is different (多會帶來不同）”，揭示了凝聚態(tài)物理從原子分子物理的跳躍。如李政道先生所說，“Large things are made of small”，原子分子凝聚以后發(fā)生了質(zhì)的變化，凝聚態(tài)物理已經(jīng)成為物理學(xué)最宏大且最活躍、與人類生活關(guān)聯(lián)最緊密的分支。二十世紀(jì)初物理學(xué)的兩大革命，相對論和量子力學(xué)，分別發(fā)展了關(guān)于宏觀和微觀世界基本物理規(guī)律的學(xué)說。李政道先生指出：“如果一切東西都只是由粒子組成的話，那么我們的世界就只是一個粒子的世界。但是，我們生活在宏觀環(huán)境中的大多數(shù)人完全不知道微觀世界。盡管如此，微觀世界是基本的，宏觀世界只不過是它的表現(xiàn)。由于我們的感覺并不是最靈敏，我們常常忽略了這一點(diǎn)。反過來，如果這兩者確實(shí)涉及的是同一個世界，我們物理學(xué)家怎么能夠常常把微觀世界看成一個由一些小基本粒子組成的小孤立世界呢？然而，這個觀點(diǎn)卻滲透到我們所有的物理實(shí)驗(yàn)和幾乎所有的分析中。當(dāng)然，這也一定只是一種近似；觀察到的孤立的微觀世界不可能完全符合真實(shí)。思考微觀與宏觀的統(tǒng)一是哲學(xué)，而把這種二重性定量化則是物理學(xué)的任務(wù)。”在這里，李先生把宏觀和微觀的關(guān)系提升到哲學(xué)的高度，兩者是對立統(tǒng)一，反映事物的兩重性。

他認(rèn)為，“在21世紀(jì)，微觀和宏觀應(yīng)結(jié)合成一體。例如造計(jì)算機(jī)，是不是越小的集成電路就越好呢？我們可以把集成電路越造越小，小到氫原子，可是我們對氫原子完全懂，這里不可能再有什么更多的信息。可能21世紀(jì)的計(jì)算機(jī)要的是較大的，是個凝聚態(tài)的單位，這里的信息才更多。20世紀(jì)是越微小越好，我們覺得小的是操縱一切的，而我猜測，21世紀(jì)將要把微觀和宏觀整體地聯(lián)系起來（holism），這不僅會影響物理，也許會影響到生物學(xué)的發(fā)展。微觀和宏觀必須要結(jié)合起來，這個結(jié)合對應(yīng)用科技也可能會有極大的影響。目前，微觀和宏觀的沖突已經(jīng)非常尖銳，靠一個不能解決另一個，把它們聯(lián)系起來一定會有一些突破。這個突破將會影響到科學(xué)的未來?！?/span>

二

真空的本質(zhì)

而微觀和宏觀的連接點(diǎn)，或者說共同的根據(jù)，都在于真空。

真空存萬物，每處每瞬間。

何堪微觀物，不與宏觀連？

All lie in vacuum

Everywhen and everywhere.

How can the micro

Be separate from the macro?

所有的一切都存在于真空之中，無論何時何地。真空就是萬物之所在、所依、所生，不管微觀還是宏觀。依然如此，微觀與宏觀何能分離？

李政道先生認(rèn)為，“真空可能是非常復(fù)雜的。我們將看到，在真空中可能不斷發(fā)生粒子-反粒子對的虛產(chǎn)生和湮沒。因此，真空類似一種物理介質(zhì)。”他明確指出：“按照我們現(xiàn)在的觀點(diǎn)，物理真空具有以下性質(zhì)：（1）沒有物質(zhì)的態(tài)；（2）但由于有相互作用，有能量漲落（虛物質(zhì)）；（3）有洛侖茲不變性；（4）因此不是以太；（5）有復(fù)雜的凝聚能夠破壞對稱；（6）好像超導(dǎo)體，可以有相變。”因此“如果發(fā)現(xiàn)真空確實(shí)如同一種物理介質(zhì)，并且如果我們確實(shí)可以用物理手段改變真空的性質(zhì)，那么，微觀世界就通過真空與宏觀世界建立起緊密的聯(lián)系。也許，通過揭示真空的性質(zhì)，可以使我們發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)比我們迄今為止已知的更為令人激動的結(jié)果?！?/span>

微觀與宏觀，就這樣通過真空而緊密聯(lián)系起來。真空無所不在，因此世界是微觀的，也是宏觀的，在宏觀中，深藏著微觀的機(jī)制，在微觀中，蘊(yùn)含著宏觀的物理。因此“欲窮其極小，極大須鉆研?！卑严鄬φ撆c量子力學(xué)統(tǒng)一起來的理想之火，從來沒有在偉大物理學(xué)家的心中熄滅。

三

對稱與不對稱

從對真空的認(rèn)識出發(fā)，李政道先生深入探討了物理學(xué)的一大命題：對稱：“真空可能是非常復(fù)雜的。我們將看到，在真空中可能不斷發(fā)生粒子-反粒子對的虛產(chǎn)生和湮沒。因此，真空類似一種物理介質(zhì)?！薄凹热徽婵帐菑?fù)雜的，那么，它有可能像任何物理介質(zhì)一樣，會出現(xiàn)不對稱，就是可以理解的了?！薄拔覀儸F(xiàn)在要討論的是一種通常（在物理文獻(xiàn)中）稱為'對稱性自發(fā)破缺’機(jī)制的基礎(chǔ)。在這種機(jī)制中，人們假設(shè)不對稱的根源都在物理真空中?！?/span>

現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為基本粒子就產(chǎn)生于真空的對稱性破缺：“在量子色動力學(xué)（QCD）”中把真空看成一種復(fù)雜介質(zhì)。核子和介子看成在這種介質(zhì)里的氣泡（半徑大約1費(fèi)米）。在每個氣泡（稱為'口袋’）內(nèi)，對介子有一個夸克—反夸克對，對核子有三個夸克。由于真空對氣泡的壓力，夸克不可能出來，這就造成了“夸克禁閉”現(xiàn)象。而在氣泡內(nèi)部，夸克可以很自由地運(yùn)動?？淇说膭幽芘c外面真空的壓力平衡，使氣泡不至于垮掉。為了理解夸克禁閉與真空性質(zhì)的關(guān)系，我們還可以將超導(dǎo)和夸克禁閉作一比較。超導(dǎo)體是一種完全抗磁體，磁場進(jìn)不去；而夸克禁閉意味著色電場出不來。所以，只要把磁場H換成色電場E，把超導(dǎo)體換成QCD的真空，內(nèi)部換成外部，外部換成內(nèi)部，那就把色場擠進(jìn)袋內(nèi)，這就導(dǎo)致夸克禁閉?！?/span>

李政道先生指出：“目前的情況正像20世紀(jì)初出現(xiàn)的情況一樣，也提出了兩個科學(xué)疑難，就是本書前面談到的對稱性破壞和夸克禁閉。我們現(xiàn)在認(rèn)為，這兩個疑難可能都來自真空。什么是真空？真空是沒有物質(zhì)的態(tài)，可它仍有作用，有作用就有能量的漲落。這能量的漲落是可以破壞對稱的。為什么夸克走不出來呢？前面我們已經(jīng)談到過，這和超導(dǎo)類似。超導(dǎo)是抗磁場的，假如有一塊材料沒有變成超導(dǎo)前有磁場通過，一變成超導(dǎo)，磁場就被排出來了。假如有一個圓圈，里面有磁場，沒變成超導(dǎo)前磁場可以任意進(jìn)出，一旦變成超導(dǎo)，磁場就出不來了。我們認(rèn)為，在真空的漲落中，很可能有磁單極子和反磁單極子，它們抗量子色動力學(xué)的場。真空是物理的相對論性的凝聚態(tài)，它雖然是沒有物質(zhì)的態(tài)，卻是有作用的，也是可以激發(fā)的。相對論性的重離子碰撞，用每核子100GeV的高能量金核和金核相碰撞，金核相互穿過去，在兩核中間產(chǎn)生了新的真空，這里面夸克就可以自由行動。..... 如果實(shí)驗(yàn)證實(shí)真空是可以被激發(fā)的，那么粒子的微觀世界和宏觀的真空就結(jié)合起來了。這將是一個重要的新發(fā)展?！?/span>

結(jié)論就是：“要解決這兩個大難題：失去的對稱性和看不見的夸克，都必須求助于真空的動力學(xué)。假如真空果真是粒子物理微觀世界中這些奇異現(xiàn)象的根本原因，那么它對宇宙中能量和物質(zhì)的宏觀分布一定也會有重要的影響?！?/span>

關(guān)于對稱在物理學(xué)中的基本意義。李政道先生和楊振寧先生也有不約而同的透徹理解。李政道先生說“在探索宇宙的征程中，對稱與不對稱交相呼應(yīng)，構(gòu)成自然界的基本規(guī)律，成為指引人類探索大自然的燈塔。我們發(fā)現(xiàn)，描寫大自然的理論和方程大多是對稱的，而自然界本身的現(xiàn)實(shí)存在卻是不對稱的。例如大爆炸中，由于生成的正物質(zhì)和反物質(zhì)的不對稱，才會構(gòu)成現(xiàn)在的宇宙世界?！薄皩ΨQ和不對稱是從宏觀世界到微觀世界普遍存在著的現(xiàn)象。從古至今，人們一直在研究和應(yīng)用著這個自然界十分有趣的現(xiàn)象?！睏钫駥幭壬P(guān)于對稱的論述更是比比皆是，他把對稱性，相位和量子化看成是物理學(xué)的三大支柱，江才健先生為楊振寧先生大傳起的標(biāo)題就是《規(guī)范與對稱之美》，可謂名副其實(shí)！

四

結(jié)語

李政道先生對21世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展保持樂觀，并寄予厚望。他認(rèn)為：“21世紀(jì)物理學(xué)還將有重大的發(fā)展：激發(fā)真空，制造像宇宙開始的狀態(tài)，了解暗物質(zhì)，了解類星體的能源，了解CP（電荷與宇稱）不對稱的根源，微觀和宏觀物理的結(jié)合……20世紀(jì)的科學(xué)文化發(fā)明在19世紀(jì)末是很難想象的！沒有20世紀(jì)初基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展，20世紀(jì)的科技應(yīng)用和開發(fā)就沒法產(chǎn)生出來。我相信，21世紀(jì)物理學(xué)的這些重大問題的解決也同樣會對21世紀(jì)的科技應(yīng)用和開發(fā)產(chǎn)生重大的影響?！?/span>

從一首小詩，和一本小冊子，我們學(xué)到了一位偉大物理學(xué)家深邃的目光、深刻的哲思，和深遠(yuǎn)的信念。言簡意賅，獲益匪淺！

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