2019 q? ?5 日，周光召先生迎?0 华诞。他是国际知名理论物理学Ӟ在中国核武器理论设计和h才培L面发挥了(jin)重要作用Q同时也是中华h民共和国攚w开放以后科技事业发展的领D。本文旨在评q周光召在理论物理方面的贡献Q重点介l其在杜布纳联合原子核研I所工作期间的基本粒子理论研IӞ?qing)其重返理论物理学界后在凝聚态和l计物理、量子场论和_子物理{方面的工作?/span>
周光?951 q毕业于清华大学物理p，随后转入北京大学物理p，在彭桓武指导下研I基本粒子物理与量子。周光召研究生毕业论文与原子核能U问题相养I涉及(qing)双力E核子力问题[1]。他首先利用双力E位能计?sup>2H Q?3H Q?sup>3He Q?4He原子核的l合能，以及(qing)中子对低能质子的散射。计结果显C结合能值有随核子数A 上升q快的趋ѝؓ(f)解决该问题，周光召l研I介子场的三体力位能Q通过计算赝标介子赝向矢量耦合中的三体力讨论，其能否解?sup>3H Q?sup>3He Q?sup>4He 原子核的l合能问?sup>[2]。研I生毕业后，周光召留北京大学LQ先后担任讲师和副教授?/span>
1 杜布U合原子核研究所(1957?961)
1957 q初Q北京大学教授胡宁推荐周光召赴苏联杜布纳联合原子核研I所1)从事高能物理、粒子物理等斚w基础研究(?)。联合所主要Z苏联U学院原子核问题研究所同步回旋加速器(可将质子加速到0.68 GeV)和苏联科学院늉理研I室的同步稳相加速器(可将质子加速到10 GeV)建立而成Q下N能粒子研I室、原子核问题研究室、理论物理研I室和中子物理研I室2)。其成立的目的旨在保证联合研I所所属成员国U学家开展ƈ交流核物理理论和实验研究成果Q??j)进核物理学发展。同时与苏联以外的核物理研究机构保持联系q寻找新的核能利用可能?sup>[3]?/span>
? (a)联合原子核研I所成员国政府全权代表会(x)?1956.3.26)Q图片引自Joint Institutefor NuclearResearc-YesterdayQTodayQTomorrowQ?b)联合原子核研I所L
中国政府?956 q至1965 q先后共zNU?40 位科学家在联合所工作Q共~纳?x)费U?308 万卢布，折合人民币约1.116 亿元。中国派遣的理论物理学家包括胡宁、朱z元、周光召、何庥、冼鼎昌{；实验物理学家包括王淦昌、丁大钊、吕敏等。联合所理论研究l合实验。理论物理学研究室的苏方成员都与一个实验组密切联系。中方科学家效仿苏方成员Q主动与王淦昌带领的实验l联pR几乎每天晚上召开学术讨论?x)，报告最新学?fn)、研I进展。真正体?x)理论如何联pd际?/span>
周光召在联合所理论物理研究室工作时间ؓ(f)1957 q? ?4 日至1961 q? ?0 ??)3)。此时的_子物理学发展正l历一场深d革的前沿发展。物理学家正陷于如何处理实验上发C多新_子的困境。他们通常提出新概忉|新模型对新粒子进行分cdƈL_子之间的关pR周光召充分利用杜布Ux利的学术环境Q理论研I紧密结合实验，学术成果颇丰Q共发表33 学术论?sup>4)。具体工作ȝ如下Q?/span>
? 周光召先?二排?)在杜布纳联合原子核研I所工作期间参加学术讨论?x)，前排左vQ联合所所长布z欣采夫院士(Dmitry Blokhintsev)Q高能粒子研I室MQl克斯勒通讯院士(Vladimir I. Veksler)、周光召在联合所的导师马?dng)可夫院?Moisey Markov)
(1)x_子的极化和自旋问题——徏立极化粒子反应的相对论性理论，引入相对论性螺旋散振q概念和相应的数学描q?sup>[4?]
周光召到杜布U_作之初便开始关注超片H4Λ 和K介子的自旋和宇称。ؓ(f)适应分析高能散射振幅和Regge 理论需要，他与合作者M. I. Shirokov5)?958 q引入相对论性自旋算W，l出有质量粒子Q意自旋态的相对论性描q?959 q_(d)周光召基于群理论Ҏ(gu)独立上q理论推q到无质量粒?如光子、中微子)情Ş。几乎同ӞM.Jacob和G.C.Wick也关注类似问题，提出螺旋?helicity)概念Q徏立系l的螺旋性理?sup>[7]。随后，q套理论q泛应用于基本粒子的理论研究和高能物理实验的物理分析?/span>
(2)利用子衰变q程研究_子—反_子不对U性——完善一个涉?qing)时间反演和电(sh)荷p破缺的重要定理，即CPT 保持不变Q当T 反演不守恒，_子、反_子衰变C同态的分支比不同，管它们ȝ衰变宽度保持不变?sup>[8Q?]
1956 q_(d)杨振宁和李政道提出弱怺作用宇称不守恒理论。随后，物理学家开始怀疑C、CP和T 是否守恒?958 q_(d)S. Okubo 利用q互作用低阶近似理论得出可利用实验量Σ+ ?span style="color:blue">
衰变分支比，分支比不同则表明?sh)荷p不变性或旉反演不变性破?sup>[10]。周光召随后证明Okubo的方法具有普适性。他q指出测量Σ粒子及(qing)其反_子(最单的情况是测量?sup>- ?span style="color:blue">衰变)的角兌也可以得到电(sh)荷共轭和旉反演变换不变性的信息?964 q_(d) J. Cronin 和V. Fitch 发现K介子p变中的CP破坏Q获?980q诺贝尔物理学奖?/span>
(3)赝矢量流部分守恒的早期研I者之一——利用更z和清晰的方法证明赝矢量部分守恒定律，被认为是强子领域的重要工作之一?sup>[11]
׃用宇UC守恒理论的提Z(j)使粒子物理学家深入研I弱作用本质?958 q_(d)Ҏ(gu)(R. Feynman)和盖?dng)?M. Gell-Mann)[12]与苏辄(qing)(E.C. G.Sudarshan)和马?dng)萨?R. E. Marshak)[13]两组理论物理学家几乎同时l出׃用普适Ş式，卌c作用具有V-A形式(V和A分别表示矢量和u矢量)且由中间矢量玻色子传递，为弱늻一理论发展开辟道路。另外，他们的工作中q包含矢量流守恒(VectorCurrent ConservationQCVC)思想?960q_(d)盖尔曹{费g利威(M. Levy)合作研究当时与实验符合较好的戈d伯格—特里曼(Goldberger—Treiman)关系。所谓戈德伯格—特里曼关系Q指的是π介子衰变常数、?衰变轴矢量耦合常数?qing)强怺作用耦合常数间的关系式，卻I(x)gfπ=mgAQ其中fπ为π-介子衰变常数QgA为β衰变u矢量耦合常数Qg 为强怺作用耦合常数。ؓ(f)解释戈d伯格—特里曼关系的成功，盖尔曼等人提?gu)u矢流部分守恒(Partial Conservation of Axial CurrentQPCAC)思想Q即轴矢量流散度不ؓ(f)Ӟ正比于π场。几乎同Ӟ周光召也意识到解释戈德伯格—特里曼关系的重要性。他?960 q独立发表题为《关于u矢量和重子与介子的d衰变》论文。论文利用特定矩阵元的解析性质表明关于π→?+ ^ 衰变的戈德伯格—特里曼关系Q同样适用于更q一cȝ强相互作用。而在q之前，Ҏ(gu)、盖?dng)曼和利威证明此关系仅适用于具有赝标量耦合的普通赝标量理论。周光召在该工作中利用同一Ҏ(gu)处理子和K介子的轻子衰变。因此，周光召被世界公认为PCAC理论的奠Zh之一。由戈d伯格—特里曼关系得出的PCAC假设与CVC相对应。PCAC、CVC以及(qing)盖尔曼在夸克模型基础上提出的代敎ͼ使粒子物理学安新关注在色散关系鼎盛时期黯然p的量子场论方法，Ҏ(gu)建弱怺作用和电(sh)相互作用的规范理论h重要启发意义Q促(j)使格拉肖(S.Glashow)、萨拉姆(A.Salam)、温伯格(S.Weinberg)提出?sh)弱l一理论?/span>
除上q?w要工作外Q周光召在杜布纳期间的工作还涉及(qing)到利用超子—核子碰撞研I-Λ和π-Σ 怺作用Q利用色散关pȝ论研I光核反应以?qing)介子和重子的散过E，π-K介子pȝ可能的对U性和|ΔI =1/2|选择定则Q等{。这些学术成果引起国际物理学界的q泛x?/span>
对于周光召在杜布U的工作Q杨振宁先生q样评h(hun)[14]Q?/span>
“周光召在杜布纳工作的时期是多的，他在苏联《实验与理论物理》杂志上发表?jin)很多文章。当时我在美国研I了(jin)他的q些论文Q尤其是他关于赝矢量部分守恒的工作。他在美国被认ؓ(f)是杜布纳联合原子核研I所最杰出的年ȝ学家。?/span>
李政道先生也有过cM评h(hun)[15]Q?/span>
“周光召是世界著名理论物理学家?0 世纪70 q代在和他见面之前，我就已经知道他在20 世纪50 q代末的许多重要工作。他的工作得到国际科学界的高度评仗另外他的文章通常都写的深入和z。?/span>
2 核武器理计时?1961?979)
20 世纪60 q代初，_子物理学科发展q速。此时也是周光召从事U研工作最具创造力时期。他的大多数工作都紧随国际粒子物理学前沿发展Q与盖尔曹{南部阳一?Y. Nambu)、费曼等z跃在前沿的一Ҏ(gu)出物理学家的x点相?盖尔曼和南部正是因在此时期做出的相关杰出工作Q后来分别获得诺贝尔物理学奖)。然而，当得知中国原子弹研制需要h才后Q周光召带头dL(fng)(j)Q决定立卛_国?961 q? 月底Q周光召回国担Q二机部九(ji)院理论部W一副主任，与彭桓武、邓E先{一批科学家一Pq入中国原子弹研I核?j)部门。从周光召曾在前苏联《实验与理论物理》杂志上发表的文章可知，?961 q? ?7 日连l投Z论文后Q他便放下手中所有研I工作，攑ּ自己热爱的理论物理和有望取得H破的高能粒子物理前沿研IӞ回到北京参与到原子弹的研制工作中。以至于1961 q? ?8 日投送到《实验与理论物理》杂志上发表的另外两论文，是由他的合作者整理后投稿的，甚至q他自己都不知道。此后近二十q_(d)周光召一直隐姓埋名，停止在学术期刊发表学术论文?/span>
周光召回国前Q中国的原子弹研制曾一度陷入困境。理表明，炸药爆炸后在内爆q程中生的压力L于在原子弹设计初期苏联专家留下的教学模型框图。中国科学家历时一q多Q经? ơ繁琐计后q是得不C苏联专家一致的数据。彭桓武请周光召复查之前的计数据。周光召仔细地检? ơ计结果后认ؓ(f)计算没有问题Q怀疑苏联专家数据的可靠性。他从炸药能量利用率着手，求出炸药所做出的最大功Q从理论上证明用特征U法所做计结果的正确性，从而证明苏联专家数据是不正的Q结束了(jin)q一q的争论Q得中国原子弹研制l箋向前推进。随后，中国U学安步获得原子弹爆炸过E的清晰物理规律Q原子弹设计工作得以全面展开Q于1963 q底交出包括l构、尺寸和材料的理计模型，然后l过工程设计、部件加工、实验室中各U冷试验、装|组装、核装置q往试验行热试验?964 q?0 ?6 日，中国W一颗原子弹爆炸成功。之前鲜有h知道Q周光召在原子弹理论设计中发挥的关键作用。正如当q在周光召带领下参与核武器研制工作的孙清和在?009 q撰写的一回忆文章中写到Q“现在看来，如果没有1961 q的周光召回国参加我国核武器的理论研IӞ我们的第一颗原子弹的进E，可能要推q至?? q_(d)甚至2? q。?sup>6) 孙清和还特别Q“从历史的角度及(qing)我个人的亲历看，我国核武器研制历史充分证明了(jin)周光召在我国W一颗原子弹理论H破Q研制与实验q程中的作用是无人替代的。他Z(jin)我国国防事业而做Z(jin)牺牲他原本热q物理专业Q以至于可能丢掉世界?dng)奖也是值得的。?/span>
原子弹爆炸后Q周光召{h马上开展对氢弹原理的攻兟?965 q夏Q周光召丑֊一pd报告?x)，阐述氢弹l构和爆炸原理，吸引多位理论部科研h员参与讨论。当Ӟ负责原子弹和氢弹理论设计的彭桓武设计?jin)三套氢弹研制方案，分别由周光召、黄洽和于敏负责。彭桓武曑֛忆说Q原则上三套氢弹研制Ҏ(gu)在原理上都是合理可行的，黄祖z负责的Ҏ(gu)实际上是一个保底的Ҏ(gu)。最后，于敏带领的研I小l率先实C(jin)其中的一个氢弹设计原理。在明确氢弹设计原理之后Q理论部U研人员很快地融合一P完善氢弹理论模型q进行细致的物理设计。于是，在突破原子弹后两q两个月旉内，又突破氢弹原理，取得中国核武器研制中的又一个里E碑式成果?967q??7日，中国W一颗氢弹空投试验成功?/span>
“两弹”研制期_(d)周光召在多个学科和研I域采用边学边研究边应用的方式Q发挥多学科交叉融合优势Q相关的学科和研I域包括：(x)高温高密度物理、爆炸力学、流体力学、中子物理学、等d物理和计力学等。周光召渊博的知识和凡的才能ؓ(f)中国原子能事业的发展起到?jin)重要作用?/span>
周光召还在全面推q我国第一代核武器的武器化理论工作和核武器型化的理论研究以及(qing)W二代核武器型化工作的开展做Z(jin)杰出的A(ch)献?/span>
3 重返理论物理学界(1978?987)
“两弹”研制Q务结束后Q周光召逐渐工作{C热爱的理论物理研I?0 世纪70 q代初，他开始研M强相互作用渐q自由性质、超对称理论、规范理论、拓扑、微扰论和重整化相关的最新文献。由于长旉无法直接在科学研I的前沿工作Qؓ(f)?jin)尽快赶上科学前沿的发展Q周光召把自己当作“小学生”，从查阅最新发表的研究成果和描q新q进展的lD文章学vQ再不断q踪研究的源_(d)由此很快?jin)解和熟?zhn)近二十q理论物理的发展Qƈ在短旉内便又走在学术前ѝ尽不久以后便开始担负越来越J重的领导工?1983?990 q担M国科学院理论物理研究所所ѝ?984 q担M国科学院副院?Q周光召对科研工作丝毫没有懈怠，挤出休息旉和假期ƈ带领我国q轻一代的理论物理学家Q站在理论物理前沿不断拼搏，q取得多Ҏ(gu)重要国际影响的研I成果，得到国内外学者普遍重视。正如他一再强调的Q理论物理只有世界第一Q没有第二。直?987 q他担Q中国U学院院长后Q只好又一ơ放弃他热爱的理论物理事业?/span>
在统计物理方面，他先期与苏肇冰开始闭路格林函数研I?sup>7)。后又邀(g)请于渌和郝柏林参与这工作。“四人研I小l”将闭\格林函数用于研究动态(f)界现象和无序pȝQ特别是自旋ȝ理论Q发表了(jin)一pd研究论文。周光召基本构徏?jin)整个理论框Ӟ包括生成泛函、费D则、非微扰计算和输q方E等[16]。他意识到闭路可以统一描述q与非q态的理论Q发挥个如运用量子场论理论工L(fng)专长Q很快构v新理论框Ӟl出一个定义在闭合旉回\上的路径U分和相应的生成泛函表示Q有效拉氏量包含系l的非^衡?或^衡?l计信息。周光召不满于理论形式本nQ更注重解决具体问题。除Ȁ光、等d体这些典型的非^衡系l外Q他特别注意到当时刚发展h的动态(f)界现象理论，其是(f)界现象中长L涨落很重要。“四人研I小l”很快发现闭路是描述q类现象的一个自然的理论框架Q序参量和守恒量可以l一描述Qƈ通过Ward—Takahashi 恒等式直接联pv来。当时得到广泛应用的包含非对易性的Martin—Siggia—Rose l典Q被证明是闭路格林函数的所谓超玻色极限(场量子非常多而成为静(rn)?sh)?。此外，他们在研I过E中首次发现正则q动和耗散分别可通过q义郎之万方E实pL矩阵的反对称和对U部分来表述?/span>
1978?989 q间Q周光召、苏肇冰、郝柏林和于渌完成“关于非q量子l计的闭路格林函数”研IӞ发表?jin)一pd有重要媄(jing)响的学术论文。此研I?999 q获中国U学院自然科学奖一{奖?001 q国家自然科学奖二等?l一描述q与非qpȝ的格林函数理论研I?(?)。同Ӟ2000 q美国ISI(Institutefor Scientific InformationQISI)研究所qؓ(f)周光召、苏肇冰、郝柏林和于?985 q发表在国际lD杂志上的长篇文章“^衡态与非^衡态Ş式的l一?sup>[17]颁发?981?998 q度l典论文奖。这论文已成ؓ(f)物理学界的经典引用文献?/span>
? 周光召获1989 q国家自然科学二{奖(量子大范围性质的研I??001 q国家自然科学二{奖(l一描述q与非q体系的格林函数理论研I?
在量子场论和_子物理斚wQ周光召除了(jin)与戴元本、阿马蒂(Daniele Amati){国内外知名U学家开展合作交外Q在1983?987 q间l织一批中青年U研人员开展量子场论大范围性质的研I?sup>[18]。较深入研究量子的整体拓扑性质Q对规范场理论及(qing)其有效作用理论，特别是有关量子反常的大范围拓扑性质研究斚wQ在国际上首先得到规范不变有效作用“量子反常”项的正Ş式和存在条gQ?n l空间的非阿贝尔反常?n+1l陈—Simons C性类?n+2 l量子反怹间的联系Q?n l非阿贝?dng)反常的整体形式Q推q了(jin)陈—Simons C性类Q得C(jin)q义陈—Simons C性类和超度公式的一般Ş式及(qing)其简单推导和物理应用Qƈq行规范的上同调分析。此研I获得了(jin)1987 q中U院重大U技成果奖和1989 q国家自然科学奖二等?量子大范围性质的研I??/span>
1980 q? 月，周光召应邀(g)ȝ国弗吉尼亚大?The University of Virginia)和加州大?Universityof California)d座教授，受到国物理学界Ƣ迎Q他被国际同行视Z国理论物理学界的代表人物。著名高能物理学家、美国物理学?x)前d马夏?R. Marshak)教授为欢q周光召来访Q专门ؓ(f)他在弗吉g理工学院(VirginiaPolytechnic Institute and State UniversityQ?VirginiaTech)丑֊?jin)以q互作用ؓ(f)题的学术?x)议Q许多国际著名物理学家包括李攉K和杨振宁{多名诺贝尔物理学奖获得者前d加会(x)议。会(x)议期_(d)多位物理学家表示愿意?j)进中美U学合作。周光召借机?j)成了(jin)中国学者ʎ学术交ƈ且帮助中国物理学?x)恢复?jin)在国际组l中的地位?981 q?月，完成国讉K计划后，周光召受邀(g)赴欧z核子研I中?European Organization for Nuclear ResearchQCERN)讉K、担ȝI员?/span>
周光召一直关注弱怺作用的唯象学研究Q尤其是与基本对U性破~相关的物理现象。他一直强调对U性在物理学中的重要性，认ؓ(f)“对U性和对称破缺是世界统一性和多样性的Ҏ(gu)”?984 q_(d)周光召研I夸克质量和K介子衰变q程中直接CP破坏的关?sup>[19]。在当时高能物理学界普遍认ؓ(f)夸克质量应于传递弱怺作用的W玻色子质量，包括日本专门建造的L夸克的加速器其能量也是低于W玻色子质量，而周光召指导研究生预a夸克质量应可重于W玻色子质量，否则需要第四代夸克的存?sup>[20]?995 q_(d)在北京召开W?7 届国际轻子—光子国际会(x)议，q是中国首次丑֊高能物理领域大型的重要学术会(x)议。周光召作ؓ(f)大会(x)dL开q式q发表重要讲话。会(x)后，他思考当旉能物理发展的热点问题Q包括CP 破坏、质量v源、中微子物理、超对称理论、大l一理论的低能唯象等Qƈ考虑在领导岗位上退下来后l进行前沿研I。而他自己q没有想刎ͼ从领导岗位上退下来后，刚重新回到理论物理前沿开展研I?sup>[21?4] Q又一ơ需要他服从党和国家的安排，C新的领导岗位Q再一ơ放弃他热爱的理论物理和高能_子物理前沿研究?/span>
4 l语
作ؓ(f)一位n誉世界的理论物理学家、中国科技界的卓越领导人，周光召先生以他高的爱国情操、渊博的学术造诣、严谨的U学作风、长q的战略眼光以及(qing)对国防和U学事业的杰?gu)A(ch)献，赢得?jin)学术界的高度评价和敬。值此周先生从事科学事?5 周年之际Q我们}以这文章，表达对先生的崇高敬意Qƈ愿?0 华诞吉祥如意Q?/span>
致谢 俄罗斯科学院U技史研I所圣彼得堡分所Diana Saveljeva副研I员?qing)杜布纳联合原子核研I所AlexeyZhemchugov博士协助搜集资料Q中国科学院自然U学史研I所王芳副研I员译俄文资料。在此，向以上专家}致诚挚谢?
1) 1956 q? 月，l苏联政府倡议Q在莫斯UD行由苏联、中国、阿?dng)巴g、保加利亚、匈牙利、d意志民主共和国、朝鲜、蒙古、L兰、罗马尼亚和捷克斯洛伐克代表参加的，关于成立联合原子核研I所问题国际?x)议? ?6 日，上述11 国签|Ӏ关于成立联合原子核研究所的决定》。同q? 月，联合原子核研I所正式成立。同Ӟ南人民共和国加入联合所?/span>
2) 4个研I室的主d别ؓ(f)Q维克斯勒通讯院士(Vladimir IosifovichVekslerQ?907?966)、契列L夫教?Venedikt DzhelepovQ?913?999)、包果留波夫院士(Nikolay Nikolayevich BogolyubovQ?909?992)和弗兰克通讯院士(IlyaMikhailovich FrankQ?908?990)。中国科学院案Q档案号1957-02-012-05Q关于参加联合原子核研究所的报告?/span>
3) 杜布U合原子核研究所档案?/span>
4) q些学术论文几乎׃一个h独立或者以他ؓ(f)d成。其?9 发表在苏联《实验与理论物理?Journal of Experimental andTheoretical Physics)Q? 发表在Ƨ洲《核物理?Nuclear Physics)?/span>
5) M.I. Shirokov(Михаиx И{ано{ич Широaо{Q?929?010)1952 q毕业于莫斯U国立大学核物理专业。随后相l在苏联U学院电(sh)子物理实验室马尔可夫(М.А.Марaо{а)院士组和杜布纳联合原子核研I所工作?/span>
6) 孙清?1936?)时QW二炮兵W一研究所研究员，2001 q? 月授衔文职将军?/span>
7)“闭路”一词v源于1965 q诺贝尔物理学奖获得者施温格(J. Schwinger)Q他提出?jin)正、负两支回\l成闭合旉回\的想法?/span>
参考文?/span>
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