請(qǐng)想象一下:

在 20 世紀(jì)中期，核物理領(lǐng)域內(nèi)一系列重大發(fā)現(xiàn)井噴式出現(xiàn)，全世界的科學(xué)家們拼了命地?cái)D進(jìn)已經(jīng)沒有座位的演講廳中，甚至爬上柱子只為了看清黑板上的方程式。

在這樣的場(chǎng)合中心，卻站著一個(gè)穿旗袍的中國女子。

She is the "First Lady of Physics", the "Chinese Madame Curie" and the "Queen of Nuclear Research" .

她是，吳健雄。

1、《奧本海默》中沒有提及的她

有人說《奧本海默》中沒有出現(xiàn)吳健雄，是因?yàn)樗蛫W本海默不熟。

實(shí)則不然。奧本海默親切得喊她“JieJie”，認(rèn)為她是 beta 衰變研究的權(quán)威，她則喊奧本海默 Oppie。

1944 年，吳健雄參與了曼哈頓計(jì)劃:研發(fā)鈾濃縮方法增加燃料供應(yīng)。當(dāng)時(shí)剛剛開始運(yùn)行的位于漢福德區(qū)的生產(chǎn)钚-239 的 B 反應(yīng)堆經(jīng)常停堆終止反應(yīng)，吳健雄根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確認(rèn)是核裂變產(chǎn)物之一的氙-135 在反應(yīng)器內(nèi)大量吸收中子，使連鎖反應(yīng)缺乏足夠中子而停止。

至于是不是因?yàn)楹椭鲃∏闊o關(guān)，所以影片中沒有出現(xiàn)吳健雄，我們暫且不論。

我們想說的，是以她名字命名的“吳氏實(shí)驗(yàn)”，該實(shí)驗(yàn)證明了楊振寧和李政道提出的理論:弱相互作用中宇稱不守恒，楊振寧和李政道也因此在 1957 年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

當(dāng)你逐漸了解這個(gè)實(shí)驗(yàn)，你會(huì)感受到你仿佛在和當(dāng)年的吳健雄對(duì)話，你能清晰得感知到她的堅(jiān)韌、智慧和勇氣。

即便在那個(gè)大神云集的年代，她也，熠熠生輝。

2、什么是宇稱不守恒？

為了能夠理解吳健雄的實(shí)驗(yàn)，我們首先需要解決的問題是:什么是宇稱？

在理解物理學(xué)中的宇稱之前，我們必須首先理解物理學(xué)中對(duì)稱和守恒定律的概念。數(shù)學(xué)中的對(duì)稱，我們都很熟悉。如果把正方形沿對(duì)稱軸轉(zhuǎn) 90 度，它和原圖重合，在物理學(xué)中，對(duì)稱的含義其實(shí)差不多。

現(xiàn)在，我們做一個(gè)并不是很嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募僭O(shè):

將 2ml 的白酒滴入一杯咖啡中，觀察白酒在咖啡中完全擴(kuò)散所需時(shí)間。

在理想狀態(tài)下，所有條件不變，你只是將杯子從桌子右上角挪到桌子右下角，白酒擴(kuò)散所需時(shí)間不變。這就是平移對(duì)稱性，即物理定律不隨著空間中的位置而變化，對(duì)應(yīng)了動(dòng)量守恒。此外，今天滴白酒，明天滴白酒，也都不會(huì)影響擴(kuò)散時(shí)間，這就是時(shí)間對(duì)稱性，對(duì)應(yīng)了能量守恒。最后，你把杯子轉(zhuǎn) 90 度再滴白酒，擴(kuò)散時(shí)間也不受影響，這就是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，對(duì)應(yīng)角動(dòng)量守恒。

對(duì)稱性，對(duì)于物理研究而言，到底有多重要呢？

試想一下，如果我們把咖啡杯分別放在桌子的兩個(gè)位置上觀察，卻總結(jié)出兩個(gè)擴(kuò)散定律....

那物理學(xué)可就真不存在了。

那么，宇稱守恒到底是指什么呢？

其實(shí)真的不難，只是“宇稱”這個(gè)詞容易讓我們發(fā)懵。

說白了，宇稱守恒，就是鏡子里的世界，和真實(shí)的世界遵循著同樣的物理定律。數(shù)學(xué)上看，可以簡(jiǎn)單理解成把坐標(biāo) x,y,z 變換成-x,-y,-z，結(jié)果不變，那就是宇稱守恒。

現(xiàn)在，我們拿一面鏡子。當(dāng)我們把白酒滴入咖啡中后，鏡子里面的擴(kuò)散情況會(huì)如何？除了左右顛倒以外，白酒在咖啡中描繪出的擴(kuò)散花紋，一定是相同的，你甚至無法區(qū)分哪一杯是真實(shí)的白酒咖啡，哪一杯又是鏡中的。

直覺上而言，鏡子里的世界和鏡子外的世界，確實(shí)就應(yīng)該只是左右互換而已。

難道上帝真的會(huì)更加偏愛左邊或者右邊嗎？這一直被物理學(xué)界奉為基本定律之一，直到...吳健雄用實(shí)驗(yàn)證明了，上帝真的有偏愛性。

3、τ-θ謎題

在 20 世紀(jì)四五十年代，存在著一個(gè)“τ-θ puzzle”:

τ 和 θ 粒子有著完全一樣的電荷、自旋和質(zhì)量，無論怎么看都像是同一種粒子；但 θ 卻衰變成兩個(gè) π 介子，τ 衰變成三個(gè) π 介子，如果衰變前后宇稱守恒的話，那么 θ 的宇稱應(yīng)該是 + 1，τ 的宇稱應(yīng)該是-1，那 τ 和 θ 就只能是兩種粒子。但如果宇稱不守恒，τ 和 θ 就可以是同一種粒子。

到了 1956 年，τ-θ 謎題已經(jīng)成為科學(xué)家們?cè)诟鞣N會(huì)議上必定討論的重大難題。這時(shí)，楊振寧和李政道提出弱相互作用下宇稱不守恒，認(rèn)為 τ 和 θ 是同一種粒子的兩種不同衰變方式。由于這個(gè)設(shè)想打破了我們一直堅(jiān)信的對(duì)稱性定律，幾乎遭到了所有著名物理學(xué)家的一致質(zhì)疑。

在那個(gè)時(shí)候，物理學(xué)屆之間有一種說法，如果吳健雄做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，它一定是正確的。因此，楊振寧和李政道向吳健雄求助。

吳建雄給了他們一本書，這里面包含了過去 40 年來所有 β 衰變實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，沒有任何實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠證明宇稱是否守恒。

著名的吳氏實(shí)驗(yàn)，就在這樣的緊急關(guān)頭，誕生了。

4、吳氏實(shí)驗(yàn)理論基礎(chǔ)

首先，既然要驗(yàn)證宇稱是否守恒，但肯定得先定義出“左”和“右”。

于是，我們將粒子簡(jiǎn)化成一個(gè)在不斷自旋的運(yùn)動(dòng)小球，粒子的自旋方向這樣定義:右手手指沿著粒子自旋的方向纏繞，拇指的指向就是自旋方向。接著，把自旋方向與行進(jìn)方向相同的粒子稱為右手粒子，把自旋方向與行進(jìn)方向相反的粒子稱為左手粒子。

吳健雄選擇了具有放射性的鈷-60 樣品進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)，這是一種會(huì)發(fā)生 β 衰變的同位素，而 β 衰變涉及的正是弱相互作用，這也正是吳健雄所擅長研究的領(lǐng)域。

如果弱相互作用是宇稱守恒的，那么，鈷-60 原子核衰變就應(yīng)該在“真實(shí)”世界和“鏡像”世界中產(chǎn)生相同的結(jié)果。但事實(shí)卻令人震驚:電子更傾向于朝著與原子核自旋方向相反的方向發(fā)射。

結(jié)合這張圖，我們可以簡(jiǎn)單地這樣理解:

在真實(shí)世界中，有一個(gè)自旋向上的鈷-60 原子核，經(jīng)過衰變后，釋放出的電子向下飛去。由于自旋方向和鈷-60 原子核一致，所以這是個(gè)左手電子。在鏡像世界中，經(jīng)過鏡像變換，自旋由逆時(shí)針變成了順時(shí)針，鈷-60 原子核變成了自旋向下。如果宇稱守恒，那左手電子就應(yīng)該變成右手電子，釋放的電子也就應(yīng)該還是向下飛。

但是，緊接著我們卻發(fā)現(xiàn)，電子在鏡像世界中向上飛走了！

也就是說，左手電子在經(jīng)過鏡像變換以后，還是左手性，并沒有變成右手性。

這，就是宇稱不守恒。

所幸這只是發(fā)生在弱相互作用中，如果日常生活中也是宇稱不守恒...

你向上蹦跶一下，卻詭異得發(fā)現(xiàn)鏡子中的自己蹲了下去。

還是挺瘆人的。

5、具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

理論上而言，這個(gè)實(shí)驗(yàn)貌似并不難，但實(shí)際上卻需要解決很多問題，例如:微觀粒子具有不確定性，我們不可能真的去觀測(cè)某一個(gè)鈷-60 原子核發(fā)射出的電子，只能讓一堆鈷-60 原子核衰變，以大量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，去分析電子發(fā)射方向是否在統(tǒng)計(jì)學(xué)上有偏向性。

此外，為了盡量減小鈷原子的熱運(yùn)動(dòng)，采用了絕熱退磁的方法獲得接近絕對(duì)零度的超低溫。她還將樣品置于勻強(qiáng)恒磁場(chǎng)中，以令原子核的自旋方向一致。這些在當(dāng)時(shí)，都是最前沿的實(shí)驗(yàn)手段。期間遇到的各種困難，可以想象。

現(xiàn)在，我們來看吳健雄在 1957 年發(fā)表的論文中給出的統(tǒng)計(jì)結(jié)果:

論文中提到，不對(duì)稱因子 α 的符號(hào)是負(fù)的，也就是說，電子的發(fā)射更傾向于在與原子核自旋相反的方向上。由于涉及到許多因素，當(dāng)時(shí)很難對(duì) α 進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算。

當(dāng) v / c≈0.6 時(shí)候，α 大約是 0.4。從觀測(cè)到的 gamma 射線各向異性數(shù)據(jù)可以計(jì)算出 的值約為 0.6。這兩個(gè)量給出了不對(duì)稱參數(shù) β 的下限大約等于 0.7。

此外，觀察到的 β 不對(duì)稱性，不隨退磁場(chǎng)方向的反轉(zhuǎn)而改變符號(hào)，表明這現(xiàn)象是本征的，并不是由樣品中的剩余磁化引起的。

這就是歷史上首次，在實(shí)驗(yàn)上證實(shí):弱相互作用中宇稱不守恒。

6、多像年輕的我啊

吳健雄曾經(jīng)這樣說過:一個(gè)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家聰明是重要的，但是不像理論物理學(xué)家聰明是最重要的；對(duì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家而言，最重要的是堅(jiān)持、好的判斷力和一些運(yùn)氣。

寥寥片語，卻道盡了她一生的準(zhǔn)則。

在楊振寧和李政道提出宇稱不守恒理論后，費(fèi)曼、泡利、朗道這些物理界大咖都認(rèn)為這是瘋狂的想法，讓學(xué)生們不必浪費(fèi)時(shí)間去做實(shí)驗(yàn)。

就是在這樣的環(huán)境下，吳健雄卻表示愿意全力支持楊振寧和李政道，立刻取消了一切會(huì)議和旅行，一頭扎進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，甚至攜帶著實(shí)驗(yàn)設(shè)備前往專精氣體液化的國家標(biāo)準(zhǔn)局總部進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，只為了盡快得到可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

吳健雄的孫女回憶說，吳健雄在晚年的時(shí)候，很喜歡坐在套著褪色黃燈絨芯的扶手椅上，望向窗外的校園，贊嘆那些在打籃球的女生們。

她說:看她們，多么強(qiáng)壯，多么快啊?？此齻?，做事多么努力。

那句未說出口的話，大概是:

看她們，多像年輕時(shí)候的我啊。

參考文獻(xiàn):

• Wu C S, Ambler E, Hayward R W, et al. Experimental Test of Parity Conservation in Beta Decay(J). Phys. Rev., American Physical Society, 1957, 105(4): 1413–1415.

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