安東尼·萊格特：從古典學走來的量子先驅 | 逝者

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

導讀：

美國當地時間2026年3月8日，諾貝爾物理學獎得主、伊利諾伊大學厄巴納-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。萊格特因對超導體和超流體理論的貢獻而聞名，但他走進物理學的方式，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出了拖延傾向，“僅差7分鐘就錯過了出生日期。”這似乎預示了他在后來的學術研究中表現出的審慎與遲疑的特質。萊格特的父母都接受過大學教育，父親曾任高中物理、化學和數學教師，母親也曾教授中學數學。

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

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質疑與覺醒

然而，在哲學的學習中，他逐漸產生了懷疑：他發現哲學研究中的優劣判斷過分依賴于措辭的精確性，而缺乏客觀的判定標準。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對現有范式的挑戰，那么這種錯誤比平庸的正確更有價值。物理學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。如何開始物理學的學習呢？甚至連征兵委員會都懷疑這是他逃避兵役的借口，畢竟修第二學位意味著延長在校時間。幸運的是，在進入牛津大學前，他曾和一位退休牧師學習現代數學，牧師積極鼓勵他做一些數學基礎練習，這讓萊格特發現了自己在這方面的潛力。另外，1957年蘇聯成功發射第一顆人造地球衛星，改變了西方的文化氛圍，政府開始鼓勵教育資源向科學領域傾斜。

更為幸運的是，他結識了兩位不介意他文科背景的重要導師：莫頓學院的貝克（Michael Baker）和貝利奧爾學院的布林克（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力學問題，一邊還要攻克希爾伯特空間（Hilbert Space）等量子力學理論。最終他以優異的成績畢業，踏上了物理學研究的道路。

生活中的萊格特教授，Kourosh Ziabari

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珍視每一次認真的嘗試

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

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

正是這一時期，萊格特前往UIUC做博士后研究，他后來稱之為“職業生涯的一個轉折點”。他的導師派因斯（David Pines）及其巴丁（ John Bardeen）等同事教給他很多新的東西，這與在牛津時期“自己發現問題、自己提出問題、自己解決問題”的學術環境非常不同。而且，UIUC是當時世界多體理論研究的中心，在這里他對液態氦-3的超流相產生了興趣，并發表了關于超流相中費米液體效應的研究。

那時的萊格特非常渴望體驗不同的文化環境。一年后的1966年，他前往日本京都大學松原武夫（Takeo Matsubara）教授研究組工作。在京都期間，他完成了一篇關于雙能帶超導體的論文，提出其中應存在一種“內部約瑟夫森效應”。萊格特坦言，這項工作當時基本被忽視，部分原因是自然界中存在雙能帶超導體的實驗證據有些可疑。但它后來被認為是他在1973年提出的有關氦-3超流核心理論的“自然推廣”。正是因為曾經研究過雙帶超導體中電子對相對相位漲落的微觀定義，他才能在面對復雜的氦-3核磁共振（NMR）數據時，迅速建立起正確的動力學方程，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：“不要認為那些認真開展過的研究都是徒勞的——即使當時看起來如此。認真地記錄下來，把它收進抽屜里，我敢打賭，10年或20年后它會再次出現并幫助你。”

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登頂諾獎

早在1937年前后，科學家就已經知道氦-4在極低溫度下會表現出可近乎無粘滯流動的超流性。1971至1972年間，康奈爾大學的奧謝羅夫（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（而非他們原來認為的固體）氦-3中出現了全新的相變。

但氦-3原子屬于費米子，根據泡利不相容原理（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與他此前研究的雙帶超導體之間的聯系，找到了解釋氦-3超流的鑰匙。這項工作后來為他贏得了2003年諾貝爾物理學獎。

最終，萊格特在朗道費米液體理論和BCS超導微觀理論的基礎上，構建出完備的理論框架，系統解釋了氦-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。

萊格特預言氦-3超流體至少有兩種完全不同的狀態（或稱“相”）：A相中所有原子對的旋轉方向一樣，排列整齊，這會導致從不同方向看液體性質會有不同，稱為“各向異性”；B相中所有原子對朝向隨機，毫無規則，這會導致從不同方向看液體性質均相同，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合，必須像啞鈴一樣旋轉配對，并擁有軌道角動量（L=1）以及同向的自旋（自旋三重態）。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（如磁化率、能隙）都是不同的，即在微觀上表現為各向異性。

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抵消，宏觀上就會看起來像普通液體一樣均勻，即表現為各向同性。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如何決定了液體的宏觀流體動力學特征。這種特殊的配對姿勢讓液體內部產生了紋理（Texture）效應。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，最終實現了超流性。

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

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好奇心驅使下的探本溯源

在被問及“超流體氦-3有什么用”時，萊格特極度謙虛地說道，它很可能是已發現的最無實際用處的系統。他當時給自己設定的第一個任務，是嘗試更正式地證明這一點——如果量子力學的普通規則適用，統計力學的普通規則也適用，那么這些實驗結果就不可能發生。換句話說，一定有什么基礎的東西正在失效。

“我鼓勵學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。”萊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使。

1967年到蘇塞克斯大學任教后，萊格特發現自己“對低溫物理（包括液態氦-3）研究領域乃至許多傳統物理學越來越厭倦”。1972年7月，理查德森在去蘇塞克斯大學訪問時，向萊格特分享了他們最新的NMR實驗數據和研究結論，也即相變發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，他決定坐下來嚴謹地證明這些實驗現象背后的物理機制，最終在同年晚些時候提出了“自發破缺自旋-軌道對稱性” （SBSOs）的理論解釋 。

1983年，萊格特到UIUC擔任教授，2019年榮休。

從1980年左右起，他的研究重心逐漸轉移到量子力學問題的基礎問題：量子力學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“在實驗室里構建薛定諤的貓”。

約1985年，萊格特就“薛定諤的貓”發表演講，UIUC官網

他與卡爾代拉（André Caldeira）在1983年提出了著名的Caldeira-Leggett模型，旨在解決量子系統與其環境相互作用導致的耗散與退相干問題，這為開放量子系統、量子退相干和超導量子電路噪聲理論提供了重要基礎。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）?的經典假設是否成立。這一方向遭到不少同行的質疑，但他仍然堅持，物理學不應僅僅滿足于計算和預測，更應探索其背后的哲學和邏輯基礎。

隨著實驗技術的進步，他的遠見卓識在提出20多年后得到驗證——多個實驗小組已經在約瑟夫森結（Josephson Junctions）等超導器件中實現了可以被視為“薛定諤貓”類型的量子疊加態。2025年的諾貝爾物理學獎，就頒發給了開展宏觀量子隧穿和相干性實驗的三位物理學家。最近，奧地利的物理學家還實現了納米尺度的“薛定諤的貓”。量子力學與經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家，也是一位致力于科學傳播的作者。1988年出版的科普讀物《物理大爆炸》（The Problems of Physics），探討了宇宙學、高能物理和凝聚態物理的現狀以及一些尚未解決的問題。在他獲得2003年的諾貝爾物理學獎后，有讀者評論說，這本書即便是在21世紀初，依然值得一讀，“因為作者探討的是與自然界深奧奧秘相關的問題”。

上海交通大學出版社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”。而他的學生則在悼文中回憶，萊格特經常說自己的工作與UIUC的另一項諾貝爾物理學成果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，萊格特始終認為早年的古典學對其日后工作乃至一生有重要積極影響。

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

語言之外，是哲學的深刻影響。早年的哲學訓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，回顧整個學術生涯，如果要說哪點對他產生決定性影響，那就是20世紀60年代末，“在薩塞克斯大學所體驗到的那種包容、寬松的環境”。

“每當回想起那段經歷，再看看如今研究生、博士后和青年教師的現狀，我就感到十分憂慮：通過與這些群體交談——不僅是在中國（也許那里問題表現得最為明顯），甚至在北美——我都感覺到，他們中的許多人認為，除非自己手握三四篇論文，而且還發表在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——而這本應是他們職業生涯中自然而然的下一步。”

斯人已去，但是這番話，可能值得今天學術界的每個人深思。

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] 關于Caldeira-Leggett模型參見Scholarpedia百科全書的介紹（www.scholarpedia.org）；關于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)

文章轉載自“賽先生”微信公眾號