多年前,布鲁克海文国家实验室的塞巴斯蒂安·怀特(Sebastian White)计划撰写《费米在美国:费米在哥伦比亚大学和芝加哥大学任教的回忆》系列丛书。 为此,他采访了费米教授以前的学生和同事,包括李政道、理查德·加温Garwin)、Freeman Dyson 和 Willis Lamb 等。
李宗道于1947年成为费米大学的博士生。 在采访中,他提供了当时与费米接触的个人感觉。 虽然这篇采访已经写了很多年,但李政道先生对费米如何教学生的回忆,对于我们如何办好大学,如何教育学生,仍然有一定的意义。 特此发布,以方便读者阅读。
采访者 |塞巴斯蒂安·怀特。
受访人 |李宗道。
翻译 |王翠林.
1948年,费米和李宗道合作制作了一种特殊的滑尺来计算主序星的内部温度分布。
怀特:你是费米40多岁的研究生,有费米当老师感觉如何?
Tsung-Dao Lee:这是一次非常激动人心的经历。 当然,在那个年代,芝加哥大学的教授和学生的整体水平相当可观,再加上费米的加入。 1946年秋天,我直接从中国来到这里。 这开始了我的职业生涯。
怀特:你知道费米在那里,这就是你来芝加哥的原因之一?
Tsung-Dao Lee:是的,这是原因之一。 另一个原因是我只有两年的大学学位,而芝加哥大学是唯一可以直接录取我研究生院的学校。
赖特:你是如何与费米就你的博士学位达成一致的**?
Tsung-Dao Lee:实际上,费米和我当时有几个话题。 第一个主题与费米关系不大,更多地受到当时物理研究进展的影响。
那是在1948年,杰克·斯坦伯格(Jack Steinberger)是我的同学。 他对穆子(现在称为穆子)的衰变进行了实验,发现它们有一个连续体。 Chen-Ning Yang、Marshall Rosenbluth和我分析了三个过程:μ介子衰变、μ介子捕获和衰变。 我们非常高兴地发现它们的耦合常数大致相同。 那时,我已经是费米的学生了,一切都发生得如此之快。 杰克·斯坦伯格(Jack Steinberg)得出了连续体的实验结论,但他不知道如何计算它,这就是我参与其中的原因。 他来找我,问我是用三体衰变理论做的(当然,这个计算也是基于费米的弱作用理论)。
在此基础上,我与杨振宁和罗森布鲁斯合作,我们一起计算了这三个过程。 之后,我把这些计算的结果告诉了费米,他很感兴趣。 他说,“你必须把这些写出来。 我说的问题是为什么它们必须具有相同的耦合常数。 我认为这其中一定隐藏着像广义相对论这样的基本原理。 我非常注意应用费米的衰变理论。 我问他为什么他最初的衰变理论用字母g来表示衰变耦合常数,他告诉我,他脑子里确实有广义相对论的想法。
在那之后,几个月过去了,因为有几个困难。 例如,中间玻色子必须有质量,但这个质量是如何产生的呢? 1948年圣诞节前后,费米达约我去他的办公室。 他说他刚刚收到了Tiomno和Wheeler的两篇文章。
他们还分析了所有三个过程,发现它们具有相同的耦合常数。 但他们没有推测中间玻色子。 我向费米提到,我正在考虑中间玻色子的可能性,但我无法弄清楚不变原理。 当时,人们并不知道可以有统一的弱相互作用,因为只有费米衰变理论。 但是,一旦我们掌握了衰变、μ介子衰变和μ介子捕获这三个角色,我们就会一起研究它们:这三个不同的过程引导我们思考得越来越远。 因此,我们推测一定存在一个中间玻色子,它很重,并且具有通用耦合常数。 问题是如何使 V 和 A 的衰变具有与同一中间玻色子耦合的选择规则:因为在 1948 年,人们认为宇宙必须守恒。
我向恩里科·费米(Enrico Femi)提到了这个问题,他也有同样的感觉。 这就是为什么我们没有立即写下来。 但是到了圣诞节,惠勒的文章到了,费米说,你必须马上写出来。
与此同时,费米告诉我,他会写信给慧琴,告诉他们我们几个月前就已经完成了这项工作。 那年圣诞节,杨先生和罗森布鲁斯先生外出度假,于是我匆匆写了一篇短文,署名是这三个人的名字。 那是我的第一篇文章。 在《物理评论》杂志上,它只占了半页。 在文中,有一段专门介绍中间玻色子,普遍耦合,它很重,寿命很短。 多年后,杨和我称它为“W”,代表弱。
这是很长一段时间以来我与费米的第一次直接(一对一)接触。 他很有耐心。 在Tymno和Wheeler的两篇文章中,都有一篇校对说明,感谢费米指出他的三个学生以前独立地有过同样的想法。
我不认为这是一个合适的博士课题,因为我不知道这种普遍的互动是如何建立的。 所以,我的第一篇文章不是费米推荐的,他表现得像个好朋友,给了我支持和鼓励。
我的第二个主题与玛丽亚·梅耶尔(Maria Mayer)的壳模型有关。 这也发生在 1948 年。 当时,尤金·芬伯格(Eugene Feenberg)的一篇文章发现了一种可以应用于复杂原子核的势能。 它给出了这些能量水平。 但是这种势能有一个问题,那就是它违反了绝热原理。
玛丽亚在一次学术演讲中讨论了她的文章,并提出了一堆反对意见。 在演讲的最后,费米问道,为什么不考虑自旋轨道(L-S)耦合呢?
在那之后,我注意到下周又举行了一次研讨会,但演讲者又是玛丽亚,主题是一样的。 这一次,我又听了一遍,玛丽亚的报告有了很大的进步,她已经有了最终的贝壳模型,一个非常漂亮的模型。 在玛丽亚的文章中,她感谢费米在提出准确问题方面的贡献。 在诺贝尔奖颁奖典礼上,她再次肯定了费米对提出准确问题的重要贡献。 然而,这一次,她说她已经考虑过自旋轨道(L-S)耦合,碰巧在走廊上遇到了费米,当时他们停下来讨论这个神奇的数字。 在这个版本中,费米提出了自旋轨道(L-S)耦合问题,她已经回答了这个问题,并立即回答了这个问题。 显然,这件事已经过去很久了,她可能有不同的记忆。
现在,让我们谈谈我从费米那里得到的下一个问题。 他在思考一个问题,因为一个重核子在重核中的平均自由程只有大约一个核半径或更小,而且很难理解保持轨道如何使玛丽亚的分析有意义。
当时,费米有他的强迫症。 在他早期的工作中,在氩原子或其他惰性气体中,他指出在电子轨道中可能有许多其他电子。 费米使用他的有效散射长度和δ函数模型,这样他就可以在其他电子云提供的介质中获得轨道。 这与实验非常吻合。 所以他在想,同样的思路是否能解释玛丽亚·迈耶的神奇数字。
我记得当时说这确实是一个非常好的话题。 他向我解释了这一点。 我想了大约一两个星期。 后来,他问我是否想通了,我说:“还没有进展。 在费米已经做过的事情的基础上,我无法开辟一条新的道路。 后来我才明白,真正的困难来自于问题的复杂性,它不像费米电子气体那么简单,它与强耦合介质有关。
费米教授很有耐心,说:“这有点棘手。 那么,我们换个角色怎么样? ”
他说,总是有一些物理问题让他感到困惑,他想寻求答案并了解更多。 他建议我给他讲一堂课。 我说,我会全力以赴。
当时,费米主要是在做实验。 当他收我为他的学生时,我是他唯一的理论学生。 当我第一次提出这个要求时,他说他不想带任何理论学生。 因为当时他不是在理论方面工作,而是在建造粒子回旋加速器。 他正在测量中子-电子相互作用,等等。 在那之后,他说:“好吧,他带走了我。 但看起来,这个学生有点挑剔。
他让我阅读文献,然后给他上课。 所以,我们每周见面一次,一起度过一个下午。 我去他的实验室找他,然后我们一起去他的办公室。 通常,我们会讨论他上周提出的一个话题。 当时,他对天体物理学很感兴趣,比如质子与恒星碰撞的问题,以及与宇宙射线的相关性。
起初,他问我太阳中心的温度是多少。 我给了他一份报告:上面写着大约1000万度。 他问我是不是自己做过会计。 我说光强和核心对流产生的能量之间有两个相关方程,所以比较复杂。 当时,他又问我,你怎么知道这个答案是正确的。 我写了方程式,并向他展示了能量转换定律和 3第 5 次方是成比例的。 然而,能量产生与温度成正比,大约是 16 次方。 费米说:你不能依赖别人的算计,你必须自己批准才能接受。
费米建议我们也许可以制作一个滑尺来检查它。 他帮我做了一个 6 英尺长的滑尺来解决这个问题; 我还有一份用滑尺拍摄的照片的副本。 他做木匠的工作,我雕刻并拍摄了原木刻度的比例。 当我们制作它时,我们立即计算它,也许花了一个小时。 我想描述这些插曲,以表明他是一位非常好的老师,当时(1948年)费米已经被公认为物理学大师,而我只是一个刚从中国来到美国的年轻学生。 但费米先生不遗余力地指导和教育我。
现在回到我的**主题。 我们开始研究白矮星和钱德拉塞卡的话题。 当时,Chandrasekhar 极限不是现在公认的 14 个太阳质量,但 4 倍或更多。 当时,尚不清楚这颗白矮星的内部成分是什么,它是由氢、氦还是其他较重的原子核组成。 这改变了电子与核子的比例。 重力作用在核子上,但抵抗坍缩的压力来自电子。 因此,问题取决于电子数与核子数的比率(实际上是比率的平方)。 Marshak(与Bethe合作)有一篇文章说,最有可能的成分是氢气。 这个想法是,由于白矮星非常密集,从核心到行星表面的热流会非常快,如果白矮星的核心非常冷,它会减慢燃料燃烧的速度。 这也是伽莫夫的想法。 他们声称白矮星是行星的诞生,而白矮星可能完全由质子组成。
因此,钱德拉塞卡极限是现在公认的极限数量的四倍,当我试图阅读马沙克、马沙克和贝特的文章时,我意识到他们的想法可能有问题,他们计算中使用的致密物质的不透明度是错误的。
我向费米提到了这些观点,他建议我给他们写一封信。 所以我写信给马沙克,当时他正在怀俄明州度假。 回答相当粗鲁。 他说:“你是谁? 当时,马沙克正在和贝特一起工作,他已经在介子理论上做了很多工作,在他的职业生涯中取得了很多成就。 当然,在那之后,我们成为了好朋友。 不管怎样,他说他会给我一个答案。 在我的信中,我指出了我认为他错了的地方。 他回信给我,说我是对的。 同时,让我更进一步:白矮星内部的主要元素是氢,还是氦? 当我想到它时,我觉得这颗白矮星应该完全由氦而不是氢组成。 能量产生是温度的陡峭函数,而能量输出是温度的缓慢函数。
Marshak 和 Bette 找到了平衡点,但它实际上并不是一个稳定的解决方案,因为如果你稍微提高温度,能量产生就会急剧增加,整个事情就会**。 于是,在费米的鼓励下,我写了一篇关于这个话题的文章。 那篇文章发表在《天体物理学》杂志上。 这篇文章,连同对不透明度的正确处理,成为我的博士学位(我的论文后来被洛斯阿拉莫斯实验室的科学家应用,他们对致密物质特别感兴趣)。
费米则不同。 不仅在物理学上,而且就他的成就而言,他在与人打交道时也非常友善。 例如,他问我一个问题,我回答说我不想这样做,如果我遇到教授,他会说,“见鬼去吧。 然而,费米的情况并非如此,他会说:“好吧,那你就教我。 “这需要很大的耐心和善意。 我记得他很忙,他正在做实验,建造芝加哥粒子回旋加速器等等。
怀特:加文谈到了费米的领导魅力。 他引导人们朝着他的工作方向前进。 你和费米的关系似乎有点不同。
Tsung-Dao Lee:是的,我可以举一些例子。 在那段时间里,我每周见他一次。 每次讨论都是一整个下午,一起聊天。 我们花了很多时间在一起。 我不知道是否有其他老师会这样做。 当然,我的意思是,这很特别,但我太年轻了,不知道我有多幸运,我遇到了一位多么特别的老师。
我刚到芝加哥不久,费米就开办了一门夜校,只对受邀的学生开放。 我很幸运能被邀请,这很特别。 该课程持续了大约两年,从 1948 年到 1949 年。 每周他都会分配一些问题。 当时,费米正在测量中子和电子之间的相互作用,他说因为中子有磁矩,你可以尝试用量子电动力学来计算它。 接下来的一周,我使用Born近似值进行了计算。 在费米到来之前,我和另一位学生穆尔福德·戈德堡(Mulford Goldberg)交谈过,我们都得到了相同的答案。 之后,费米来问我们结果。 我们给了他我们的配方。 “你用了天生近似? 我们回答说:“当然,你还能用什么? “他向我们解释说,如果你使用Born近似,当电子进入时,它会旋转,依此类推。 简而言之,我们讨论了关于半经典计算有效性的普遍接受的观点。
相反,他使用了一种不同的计算方式,并得出了他的公式。 结果是,当有效范围正确时,我们的公式退化为他的公式,但是,如果不是,只有他的公式对于真正的中子磁矩和电子是正确的。 当时,费米计算出了这个问题,因为费米也在同时做实验和测量。 它已经结束了他的测量。 因此,他正在考虑新的相互作用(超越电磁的作用)。
通常,一旦费米宣布他已经做到了,我就不再这样做了,因为他已经得出了正确的答案。
大约在1952年,我刚进入高等研究院不久,普林斯顿大学物理系的Muffoue Goldberg打电话给我,问我是否可以一起吃午饭。 他问我是否读过 Foldy 和 Wouthuysen 的文章。 我说没有。 他说,“让我们看一看,然后回过头来想想电子和中子的问题。 “我读了它,非常确定我们的公式在他们的文章中逐字出现,并且与费米的实验结果完全相同! 我吸取了教训。 如果你得到一个公式,并且你认为你的公式是正确的,你应该把数字代入公式中并做一些计算,但戈德堡和我都没有。
当费米说这是结果时,我们没有人会怀疑他是否正确,我们也不会费心去替换这些数字并将它们与他的实验进行比较。
怀特:加温之前讲过一个关于费米在罗马的故事。 当时,费米正在实验室工作台上,似乎是本能地用一块石蜡代替了一块铅,这导致了一系列缓慢的中子研究工作。 你能告诉我们一个关于“灵感”在理论工作中的作用的故事吗,例如,在费米的衰变理论中?
Tsung-Dao Lee:说到费米的衰变理论,用费米自己的话来说,这个说法已经出现在出版物中,当时他试图理解二次量子化。 他不太了解泡利的工作,同时他对腐烂很感兴趣。
如果我们将衰变与电子发射光子的情况进行比较,我们必须认识到衰变的特殊性。 电子发射光子时,一个粒子在(即电子)和两个粒子(即电子和光子)中,而在衰变的情况下,一个粒子(中子)和三个粒子(质子、电子和中微子)出来。 这是非常了不起的。 所以费米意识到这必须用狄拉克海的概念来完成,我认为他意识到二次量子化是分析这种新现象的工具。
石蜡的故事也许是费米的典型故事。 这方面肯定有很多文章。 毫无疑问,这是灵感,但是,就像大多数灵感一样,它来自对物理自然起源的深刻理解。 找到这个原点就像从麻袋里捡出一粒谷物。 天才就是这样诞生的。 但是,您必须从麻袋开始。 我想,石蜡事件可能是费米在脑海中断断续续地、下意识地无数次出现之后做出的决定。 从局外人的角度来看,这真是太神奇了。 这很神奇,但这是人类的奇迹。
赖特:我们谈论的话题范围很广,但我能问你一些关于你自己的问题吗?
Tsung-Dao Lee:我认为每个人都有自己的主要思维模式,即专注于你所想的,并利用你所学到的技巧来实现你的目标。 同时,还会有其他的“副产品”,可能不是很合乎逻辑,但可以自由联想。 正是这些副产品突然带入了思想的主题,灵感突然出现。 为了掌握这些灵感,如果你正在学习理论,你需要有分析能力,如果你从事实验,你必须拥有你需要的所有实验工具和技术。 我想这种经历对很多人来说都是共同的。 说到费米,他很特别,他有很强的理论分析能力,可以将抽象的东西具体化,他可以设计和执行极其有效的实验证明。 简而言之,他拥有非凡的天赋,能够将不同且极其困难的自然现象转化为清晰明了。 费米是理论和实验物理学的伟大巨人,他也是一位非常优秀的老师,可以教书,可以理解。
本文原载于《科学报》(2012-01-18 b4 people)。