安東尼·詹姆斯·萊格特爵士（1938年3月26日－2026年3月8日），著名理論物理學(xué)家，2003年諾貝爾物理學(xué)獎得主，曾任伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校（UIUC）教授。

導(dǎo)讀：

美國當(dāng)?shù)貢r間2026年3月8日，諾貝爾物理學(xué)獎得主、伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校（UIUC）教授安東尼·詹姆斯·萊格特爵士（Sir Anthony James Leggett）逝世，享年87歲。萊格特因?qū)Τ瑢?dǎo)體和超流體理論的貢獻而聞名，但他走進物理學(xué)的方式，頗為非典型。

安曉宇｜撰文

1938年3月26日，萊格特出生于英國倫敦南部坎伯韋爾的一個天主教家庭。他稱自己在出生時就表現(xiàn)出了拖延傾向，“僅差7分鐘就錯過了出生日期?！边@似乎預(yù)示了他在后來的學(xué)術(shù)研究中表現(xiàn)出的審慎與遲疑的特質(zhì)。萊格特的父母都接受過大學(xué)教育，父親曾任高中物理、化學(xué)和數(shù)學(xué)教師，母親也曾教授中學(xué)數(shù)學(xué)。

在20世紀(jì)50年代的英國教育分流制度下，萊格特選擇了當(dāng)時學(xué)術(shù)聲望最高的古典學(xué)。1955年，萊格特進入牛津大學(xué)貝利奧爾學(xué)院正式學(xué)習(xí)“古典學(xué)”（Literae Humaniores），這是一門涵蓋拉丁文、古希臘文、古典文學(xué)、古代史和哲學(xué)的綜合性人文科學(xué)課程，被認(rèn)為是牛津最負(fù)盛名也最具挑戰(zhàn)性的課程之一。他最終以一級榮譽畢業(yè)。期間，他深受哲學(xué)思辨的熏陶，甚至一度考慮走哲學(xué)研究的學(xué)術(shù)道路。

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質(zhì)疑與覺醒

然而，在哲學(xué)的學(xué)習(xí)中，他逐漸產(chǎn)生了懷疑：他發(fā)現(xiàn)哲學(xué)研究中的優(yōu)劣判斷過分依賴于措辭的精確性，而缺乏客觀的判定標(biāo)準(zhǔn)。他渴望的，是即使犯錯也是“因為有趣且非平凡的理由而犯錯”（“being wrong for interesting and nontrivial reasons” ）——錯誤本身不是終點，如果錯誤來自對深層機制的探索或?qū)ΜF(xiàn)有范式的挑戰(zhàn)，那么這種錯誤比平庸的正確更有價值。物理學(xué)恰好填補了這一空白。

可是，萊格特在物理方面沒有任何背景。如何開始物理學(xué)的學(xué)習(xí)呢？甚至連征兵委員會都懷疑這是他逃避兵役的借口，畢竟修第二學(xué)位意味著延長在校時間。幸運的是，在進入牛津大學(xué)前，他曾和一位退休牧師學(xué)習(xí)現(xiàn)代數(shù)學(xué)，牧師積極鼓勵他做一些數(shù)學(xué)基礎(chǔ)練習(xí)，這讓萊格特發(fā)現(xiàn)了自己在這方面的潛力。另外，1957年蘇聯(lián)成功發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星，改變了西方的文化氛圍，政府開始鼓勵教育資源向科學(xué)領(lǐng)域傾斜。

更為幸運的是，他結(jié)識了兩位不介意他文科背景的重要導(dǎo)師：莫頓學(xué)院的貝克（Michael Baker）和貝利奧爾學(xué)院的布林克（David Brink）。而且二者互補，貝克是實驗物理方向，布林克做理論物理研究。在他們的共同幫助下，萊格特用兩年時間就完成了通常需要3年的物理學(xué)課程，盡管這一過程曾讓他一度“精神消化不良”——他一邊費力解決傳統(tǒng)力學(xué)問題，一邊還要攻克希爾伯特空間（Hilbert Space）等量子力學(xué)理論。最終他以優(yōu)異的成績畢業(yè)，踏上了物理學(xué)研究的道路。

生活中的萊格特教授，Kourosh Ziabari

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珍視每一次認(rèn)真的嘗試

1961-1964年，萊格特在牛津大學(xué)馬格德琳學(xué)院攻讀博士學(xué)位，研究液氦領(lǐng)域兩個相對獨立的問題：超流氦-4中的高階聲子相互作用，以及正常液態(tài)氦-3中稀溶的氦-4溶液性質(zhì)。他自嘲“都沒有產(chǎn)生太大影響”，但這在一定程度上為他打下了在超流體領(lǐng)域的基礎(chǔ)。

1964年前后，理論界的普遍預(yù)期是：液態(tài)氦-3可能會進入庫珀配對態(tài)（Cooper Pair），并在難以預(yù)測的溫度下顯示出超流動性等性質(zhì)。

正是這一時期，萊格特前往UIUC做博士后研究，他后來稱之為“職業(yè)生涯的一個轉(zhuǎn)折點”。他的導(dǎo)師派因斯（David Pines）及其巴?。?John Bardeen）等同事教給他很多新的東西，這與在牛津時期“自己發(fā)現(xiàn)問題、自己提出問題、自己解決問題”的學(xué)術(shù)環(huán)境非常不同。而且，UIUC是當(dāng)時世界多體理論研究的中心，在這里他對液態(tài)氦-3的超流相產(chǎn)生了興趣，并發(fā)表了關(guān)于超流相中費米液體效應(yīng)的研究。

那時的萊格特非?？释w驗不同的文化環(huán)境。一年后的1966年，他前往日本京都大學(xué)松原武夫（Takeo Matsubara）教授研究組工作。在京都期間，他完成了一篇關(guān)于雙能帶超導(dǎo)體的論文，提出其中應(yīng)存在一種“內(nèi)部約瑟夫森效應(yīng)”。萊格特坦言，這項工作當(dāng)時基本被忽視，部分原因是自然界中存在雙能帶超導(dǎo)體的實驗證據(jù)有些可疑。但它后來被認(rèn)為是他在1973年提出的有關(guān)氦-3超流核心理論的“自然推廣”。正是因為曾經(jīng)研究過雙帶超導(dǎo)體中電子對相對相位漲落的微觀定義，他才能在面對復(fù)雜的氦-3核磁共振（NMR）數(shù)據(jù)時，迅速建立起正確的動力學(xué)方程，完成理論上的突破。

在獲得諾獎10年后接受采訪時，萊格特還回憶道：“不要認(rèn)為那些認(rèn)真開展過的研究都是徒勞的——即使當(dāng)時看起來如此。認(rèn)真地記錄下來，把它收進抽屜里，我敢打賭，10年或20年后它會再次出現(xiàn)并幫助你?！?/p>

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登頂諾獎

早在1937年前后，科學(xué)家就已經(jīng)知道氦-4在極低溫度下會表現(xiàn)出可近乎無粘滯流動的超流性。1971至1972年間，康奈爾大學(xué)的奧謝羅夫（Douglas Osheroff）、李（David Lee）和理查德森（Robert Richardson）嘗試將液氦-3冷卻至接近絕對零度（-273℃），并在后來的實驗中證實，在液體（而非他們原來認(rèn)為的固體）氦-3中出現(xiàn)了全新的相變。

但氦-3原子屬于費米子，根據(jù)泡利不相容原理（Pauli Exclusion Principle），單個氦-3原子無法像氦-4那樣直接以玻色子的方式凝聚。

萊格特憑借深厚的理論積累，迅速意識到這一系統(tǒng)與他此前研究的雙帶超導(dǎo)體之間的聯(lián)系，找到了解釋氦-3超流的鑰匙。這項工作后來為他贏得了2003年諾貝爾物理學(xué)獎。

最終，萊格特在朗道費米液體理論和BCS超導(dǎo)微觀理論的基礎(chǔ)上，構(gòu)建出完備的理論框架，系統(tǒng)解釋了氦-3原子在極低溫度下如何形成自旋和軌道角動量都不為零的庫珀對。

萊格特預(yù)言氦-3超流體至少有兩種完全不同的狀態(tài)（或稱“相”）：A相中所有原子對的旋轉(zhuǎn)方向一樣，排列整齊，這會導(dǎo)致從不同方向看液體性質(zhì)會有不同，稱為“各向異性”；B相中所有原子對朝向隨機，毫無規(guī)則，這會導(dǎo)致從不同方向看液體性質(zhì)均相同，稱為“各向同性”。

萊格特的理論核心建立在自旋-軌道耦合（Spin-Orbit Coupling）和P波配對（P-wave Pairing）機制基礎(chǔ)上。氦-3原子是費米子，原子間存在強排斥力，無法像電子那樣直接面對面結(jié)合，必須像啞鈴一樣旋轉(zhuǎn)配對，并擁有軌道角動量（L=1）以及同向的自旋（自旋三重態(tài)）。這種配對方式具有自旋和軌道的雙重方向性，如果沿著不同方向測量，其物理性質(zhì)（如磁化率、能隙）都是不同的，即在微觀上表現(xiàn)為各向異性。

自旋-軌道耦合機制將這些微觀“啞鈴”的自旋和軌道方向鎖定在一起，而不是讓它們在空間中隨機排列。雖然每個原子對都有方向，但在特定的量子態(tài)下，自旋和軌道的各向異性可以通過精妙的對稱性相互補償?shù)窒?，宏觀上就會看起來像普通液體一樣均勻，即表現(xiàn)為各向同性。它決定了氦-3是進入自旋與軌道取向高度一致的A相（弱耦合，各向異性明顯）還是進入兩者對稱抵消的B相（強耦合，宏觀各向同性）。

他的理論還進一步說明了這種微觀量子態(tài)如何決定了液體的宏觀流體動力學(xué)特征。這種特殊的配對姿勢讓液體內(nèi)部產(chǎn)生了紋理（Texture）效應(yīng)。此時如果液體要流動，它不需要像普通液體那樣“擁擠”，而是以整體一致的形態(tài)整齊地滑過，因為原子對成了新的玻色子，致使沒有能量損耗，最終實現(xiàn)了超流性。

液態(tài)氦-3的超流相大概是我們能定量理解的最復(fù)雜的物理系統(tǒng)，顯示出已知物理學(xué)中前所未有的關(guān)聯(lián)微妙性。這一理論首次闡明了費米子如何通過配對機制突破玻色-愛因斯坦統(tǒng)計的限制，形成宏觀量子相，對凝聚態(tài)物理、量子信息乃至宇宙學(xué)都有深遠(yuǎn)影響。

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好奇心驅(qū)使下的探本溯源

在被問及“超流體氦-3有什么用”時，萊格特極度謙虛地說道，它很可能是已發(fā)現(xiàn)的最無實際用處的系統(tǒng)。他當(dāng)時給自己設(shè)定的第一個任務(wù)，是嘗試更正式地證明這一點——如果量子力學(xué)的普通規(guī)則適用，統(tǒng)計力學(xué)的普通規(guī)則也適用，那么這些實驗結(jié)果就不可能發(fā)生。換句話說，一定有什么基礎(chǔ)的東西正在失效。

“我鼓勵學(xué)生追隨自己的好奇心，不必在意周圍的人是否覺得這個問題微不足道?！比R格特這樣詮釋自己從事研究工作的根本動因。

事實上，萊格特破解“超流氦-3”謎題的過程也確實歸因于好奇心的驅(qū)使。

1967年到蘇塞克斯大學(xué)任教后，萊格特發(fā)現(xiàn)自己“對低溫物理（包括液態(tài)氦-3）研究領(lǐng)域乃至許多傳統(tǒng)物理學(xué)越來越厭倦”。1972年7月，理查德森在去蘇塞克斯大學(xué)訪問時，向萊格特分享了他們最新的NMR實驗數(shù)據(jù)和研究結(jié)論，也即相變發(fā)生在液體中而非固體。這次會面，重新點燃了讓萊格特的好奇心，他決定坐下來嚴(yán)謹(jǐn)?shù)刈C明這些實驗現(xiàn)象背后的物理機制，最終在同年晚些時候提出了“自發(fā)破缺自旋-軌道對稱性” （SBSOs）的理論解釋 。

1983年，萊格特到UIUC擔(dān)任教授，2019年榮休。

從1980年左右起，他的研究重心逐漸轉(zhuǎn)移到量子力學(xué)問題的基礎(chǔ)問題：量子力學(xué)從原子層面推向日常生活層面時，是否仍能描述物理世界？他將這一探索稱為“在實驗室里構(gòu)建薛定諤的貓”。

約1985年，萊格特就“薛定諤的貓”發(fā)表演講，UIUC官網(wǎng)

他與卡爾代拉（André Caldeira）在1983年提出了著名的Caldeira-Leggett模型，旨在解決量子系統(tǒng)與其環(huán)境相互作用導(dǎo)致的耗散與退相干問題，這為開放量子系統(tǒng)、量子退相干和超導(dǎo)量子電路噪聲理論提供了重要基礎(chǔ)。兩年后，他與加格（Anupam Garg）提出Leggett-Garg不等式，用于檢驗宏觀實在性?與非侵入可測量性（Non-Invasive Measurability）?的經(jīng)典假設(shè)是否成立。這一方向遭到不少同行的質(zhì)疑，但他仍然堅持，物理學(xué)不應(yīng)僅僅滿足于計算和預(yù)測，更應(yīng)探索其背后的哲學(xué)和邏輯基礎(chǔ)。

隨著實驗技術(shù)的進步，他的遠(yuǎn)見卓識在提出20多年后得到驗證——多個實驗小組已經(jīng)在約瑟夫森結(jié)（Josephson Junctions）等超導(dǎo)器件中實現(xiàn)了可以被視為“薛定諤貓”類型的量子疊加態(tài)。2025年的諾貝爾物理學(xué)獎，就頒發(fā)給了開展宏觀量子隧穿和相干性實驗的三位物理學(xué)家。最近，奧地利的物理學(xué)家還實現(xiàn)了納米尺度的“薛定諤的貓”。量子力學(xué)與經(jīng)典物理的邊界到底在哪里，仍然是個令人著迷的問題。

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行走在文理之間

萊格特不僅是一位杰出的理論物理學(xué)家，也是一位致力于科學(xué)傳播的作者。1988年出版的科普讀物《物理大爆炸》（The Problems of Physics），探討了宇宙學(xué)、高能物理和凝聚態(tài)物理的現(xiàn)狀以及一些尚未解決的問題。在他獲得2003年的諾貝爾物理學(xué)獎后，有讀者評論說，這本書即便是在21世紀(jì)初，依然值得一讀，“因為作者探討的是與自然界深奧奧秘相關(guān)的問題”。

上海交通大學(xué)出版社2017年出版的《物理大爆炸》（單卷本精裝），王順譯

在同事們眼中，萊格特是一個溫和且謙遜的人。UIUC物理系主任說：“他說話溫和，以至于人們很容易忽視他卓越的成就”。而他的學(xué)生則在悼文中回憶，萊格特經(jīng)常說自己的工作與UIUC的另一項諾貝爾物理學(xué)成果BCS理論相比，不過是教科書里的一個注腳。

盡管后來棄文從理，萊格特始終認(rèn)為早年的古典學(xué)對其日后工作乃至一生有重要積極影響。

首先是文字表達(dá)能力。2013年，萊格特的寫作風(fēng)格被一家媒體評價為“極具文學(xué)性和雄辯性”，在諾貝爾物理學(xué)獎得主中頗為罕見。他還寫過一篇《給日本物理學(xué)家的科學(xué)英語寫作建議》（Notes on the Writing of Scientific English for Japanese Physicists），旨在幫助日本學(xué)者寫好英文論文。這篇指南詳細(xì)具體，在日本廣受歡迎?！斑@篇小文章的實際影響力可能超過了我職業(yè)生涯兩百多篇論文中的任何一篇?！?他開玩笑說。

語言之外，是哲學(xué)的深刻影響。早年的哲學(xué)訓(xùn)練塑造了他看待物理世界的方式——更審慎，也更愿意追問"為什么"。

萊格特一生都在問最難的問題。但他始終沒有忘記，對于一個處于職業(yè)生涯初期的年輕人，到底什么是最重要的。

2020年，他在一篇回憶性的文章中寫道，回顧整個學(xué)術(shù)生涯，如果要說哪點對他產(chǎn)生決定性影響，那就是20世紀(jì)60年代末，“在薩塞克斯大學(xué)所體驗到的那種包容、寬松的環(huán)境”。

“每當(dāng)回想起那段經(jīng)歷，再看看如今研究生、博士后和青年教師的現(xiàn)狀，我就感到十分憂慮：通過與這些群體交談——不僅是在中國（也許那里問題表現(xiàn)得最為明顯），甚至在北美——我都感覺到，他們中的許多人認(rèn)為，除非自己手握三四篇論文，而且還發(fā)表在Nature、Science或PNAS這類高影響力期刊上，否則幾乎不可能獲得博士后、正式或終身教職——而這本應(yīng)是他們職業(yè)生涯中自然而然的下一步?！?/p>

斯人已去，但是這番話，可能值得今天學(xué)術(shù)界的每個人深思。

參考文獻：

[1] Biographical：https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2003/leggett/biographical/

[2] SUPERFLUID 3He:THE EARLY DAYS AS SEEN BY A THEORIST,Nobel Lecture, December 8, 2003, https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/leggett-lecture.pdf

[3] 人物生平的介紹：https://physics.illinois.edu/people/directory/profile/aleggett

[4] A.J.Leggett. Number-Phase Fluctuations in Two-Band Superconductors.Prog.Theor. Phys.36,901–930 (1966)

[5] A.J.Leggett.Interpretation of Recent Results on He3 below 3 mK: A New Liquid Phase? Phys.Rev.Lett.29,1227 (1972)

[6] A.J.Leggett.Theoretical Description of the New Phases of Liquid He3.Phys.Rev. Lett.31,352 (1973)

[7] A.J.Leggett.Quantum Liquids: Bose condensation and Cooper pairing in condensed matter systems (Oxford University Press, 2006).

[8] 關(guān)于Caldeira-Leggett模型參見Scholarpedia百科全書的介紹（www.scholarpedia.org）；關(guān)于Leggett-Garg不等式參見Neutron Interferometry的介紹（www.neutroninterferometry.com）

[9] A.J.Leggett.Matchmaking Between condensed matter and quantum foundations, and other stories: My six decades in physics. Annual Review of Condensed Matter Physics, 11, 1-16 (2020).

[10] A.J.Leggett. Josephson Devices as Tests of Quantum Mechanics Towards the Everyday Level. In Fundamentals and Frontiers of the Josephson Effect. eds. C. Rice, S.K. Heukerott, F.Tafuri (Springer) Springer Series in Materials Science 286, 63-80(2019)

[11] https://en.wikipedia.org/wiki/2004_Birthday_Honours

[12] Anthony J. Leggett,Matchmaking Between Condensed Matter and Quantum Foundations, and Other Stories: My Six Decades in Physics. Annual Review of Condensed Matter Physics, Vol. 11, pp. 1–16 (2020)

文章轉(zhuǎn)載自“賽先生”微信公眾號