打破宇称守恒定律的科学家

核物理学家吴健雄诞辰110周年：曾实验证实宇称不守恒定律

2022年5月31日，是世界著名核物理学家、“东方居里”吴健雄诞辰110周年。

吴健雄(1912年5月31日至1997年2月16日)

吴健雄先生(1912-1997)，江苏苏州太仓人，美籍华人核物理学家，美国科学院院士，中国科学院外籍院士。作为20世纪世界杰出的实验物理学家之一，她在β衰变研究领域做出了世界级的贡献，被誉为“东方居里夫人”、“核物理女王”、“物理学第一夫人”。
β衰变是指自发发射β粒子或俘获一个轨道电子的原子核的蜕变。它是放射性衰变的三种主要方式(α、β、γ)之一，是一种弱相互作用现象。弱相互作用力也是让太阳发光的基本动力。
2021年2月11日，国际科学女性日，吴健雄与爱因斯坦、费米、费曼等物理学家享有同等荣誉，登上了美国邮政署​发行的永久纪念邮票。这枚邮票是为了纪念20世纪最有影响力的核物理学家之一。1956年，吴健雄用实验证明了宇称不守恒定律。

图片来自美国邮政服务

走上核物理研究之路
“东方居里夫人”出生于书香门第。他的父亲吴忠义开办了一所学校，非常重视儿童教育。他反对当时轻视女性的社会习俗，主张男女平等，认为女孩有受教育的权利。因此，吴健雄从小就接受了良好的教育和文化训练。
1929年，吴健雄考入南京中央大学数学系。一年后，他被调到物理系，主修物理。毕业后在中央研究院工作一年，1936年赴美留学。
吴健雄的孙女贾达元(Jada Yuan)在2021年发表在《华盛顿邮报》上的一篇回忆文章中提到了这段海外留学经历:“当我的祖母下了那艘远洋客轮后，她原本打算去密歇根大学攻读博士学位，但在参观了加州大学伯克利分校后，她改变了主意，决定在那里注册。因为她惊讶地得知密歇根大学学生会不允许女性从前门进入。带她去柏克莱的向导是另一位中国物理学研究生袁家骝。人们通常叫他卢克。”(译自华新民)
在加州大学伯克利分校参观劳伦斯刚刚发明的回旋加速器，受劳伦斯的影响，吴健雄最终选择到伯克利求学，师从著名核物理学家、诺贝尔物理学奖获得者埃米利奥·塞格雷教授。

在吴健雄哥伦比亚大学实验室的机械设备旁拍照，由曼尼·沃曼拍摄，由哥伦比亚大学图书馆的珍本书籍和手稿收藏在大学档案室。

1940年获得物理学博士学位后，吴健雄在史密斯学院和普林斯顿大学工作，并于1942年与物理学家卢克·袁家骝结婚。两年后，她加入了哥伦比亚大学的曼哈顿计划。吴健雄的研究包括:改进盖革计数器以检测和测量核辐射和浓缩铀的水平；帮助开发通过气体扩散将铀金属分离成铀-235和铀-238同位素的过程。
从β衰变到宇称不守恒
二战后，吴健雄在哥大开始研究衰变，即放射性元素放出粒子，变成另一种元素的过程。在她重要的物理贡献中，最著名的是首次证实了恩利克·费密的β衰变理论。
据美国原子遗产基金会称，理论物理学家杨振宁和李政道了解到吴健雄对β衰变的专业研究，并于1956年找到了她。两个人要求吴健雄设计一个实验来证明他们早期的理论，宇称在弱作用下不守恒。在量子力学中，宇称是表征微观粒子运动特征的物理量。宇称守恒定律是关于微观粒子系统运动或变化规律的具有左右对称性的定律。

20世纪60年代初，理论物理学家杨振宁(左二)、李政道(左一)和实验物理学家吴健雄(右)

1956年底，吴健雄的实验在接近绝对零度(0K，约-273.15℃)的温度下使用了放射性同位素钴-60，证明了相同的核粒子并不总是表现相同。宇称不守恒定律指的是弱相互作用中相互镜像的物质运动的不对称性。
1956年以前，科学界普遍认为宇称守恒，即粒子的镜像与其自身性质完全相同。1956年，科学家发现θ和τ介子的自旋、质量、寿命和电荷完全相同。大多数科学家认为它们是同一个粒子，但θ介子衰变时产生两个π介子，τ介子衰变时产生三个，而且不完全相同。
经过深入研究，杨振宁和李政道提出τ和θ是完全相同的一类粒子(后称为K介子)，但在弱相互作用环境下，它们的运动规律不一定完全相同，即“θ-τ”粒子在弱相互作用下是宇称非守恒的。
正是因为弱作用下宇称不守恒理论被吴健雄实验证实，杨振宁和李政道才获得了1957年的诺贝尔物理学奖。然而，吴健雄并不在获奖名单上，因此他受到了物理学界的广泛关注，许多人感到深深的委屈。一种解释是诺奖仅限于三个人，而美国国家标准局低温组的另外三个人都参与了吴健雄实验，所以不均衡。但大多数人并不认同这种说法。后来，包括李政道在内的许多诺贝尔奖获得者都提名吴健雄获得诺贝尔物理学奖，但他们都没有成功。

吴健雄和她的同事们，包括后来的诺奖得主李政道(右)，于1957年1月15日在哥伦比亚大学召开新闻发布会，宣布了他们的突破性发现，这些发现被收藏在哥伦比亚大学图书馆的珍本书籍和手稿馆藏中。

1957年宇称不守恒的发现是理论物理学家和实验物理学家共同努力的结果。李政道说，解决对称破坏问题的最终动力几乎完全来自实验。他评价吴健雄是20世纪最杰出的物理学家之一，在实验物理研究方面取得了巨大成就，对当代物理学的发展起到了非常重要的推动作用。
“东方居里夫人”没得诺奖
对此，的孙女袁曾在前述回忆文章中写道，实验成功后，“与一群哥伦比亚科学家分享了这个消息，尽管我祖母曾要求他不要这样做，暂时不要。这一点很重要，因为它直接影响到谁应该为她的发现负责的问题。利昂·利昂·莱德曼领导的另一组哥伦比亚科学家正在做另一项实验。莱德曼意识到，只要稍加修改，他的实验也可以检验宇称不守恒。他们在四天内确认了我祖母的结果。消息传开了。我的祖母感到强大的压力，要在莱德曼之前发表她的论文，并一次又一次地检查她的结果。在物理学中，谁先提交并发表研究成果，谁就有荣誉。”
最终，“莱德曼在李政道的要求下推迟了论文提交；如果他们不是哥大的同事，这样的善意不太可能发生。”两篇论文都发表在1957年1月15日的《物理评论》上。“莱德曼的论文承认，他是在听说我祖母的结果后才开始实验的。”

吴健雄的论文《检验β衰变中的宇称守恒》发表在《物理评论》上。

袁说，“但从某种意义上说，这种损害是无法弥补的。当年下半年，诺贝尔奖委员会拒绝将奖金颁发给任何参与实验的人；杨振宁和李政道因他们的理论工作而获奖袁认为，也可能存在性别歧视。"在过去的120年里，只有4位女性获得了诺贝尔物理学奖。"
吴健雄还没有公开对此发表意见。然而，她在1989年的一封信中写道:“我毕生致力于弱相互作用的研究，并乐此不疲。虽然我从来没有为了获奖而做研究工作，但当我的工作因为某种原因被忽视时，这仍然深深地伤害了我。”
虽然吴健雄没有获得诺贝尔奖，但她在实验物理方面的杰出贡献已经得到了国际物理学界的认可。她领导的发现宇称不守恒的实验被称为“吴实验”，获得1975年国家科学奖。该奖项由美国总统授予在行为与社会科学、生物学、化学、工程学、数学和物理学等领域做出重要贡献的美国科学家，相当于中国最高的国家科学技术奖。她在1978年获得了第一个沃尔夫物理学奖。沃尔夫奖于1976年由R. Wolf及其家族建立的沃尔夫基金会设立。它的目的是促进全世界科学和艺术的发展。
吴健雄在其他领域也获得了许多重要的奖项和成就。1958年，她的研究帮助解决了与血液和镰状细胞贫血有关的重要生物学问题。她也是第一位担任美国物理学会会长的女性，曾获得美国国家科学院在物理领域设立的康斯托克奖，也是普林斯顿大学授予女性的第一个荣誉博士学位。1994年，她当选为中国科学院首批外籍院士。
心系祖国，振兴高能物理实验基地
1973年10月，、袁家骝回国，受到周总理接见。周总理请他们帮助分析云南站发现的宇宙线事例，并对中国科学院高能物理研究所所长张文宇先生说:“我们必须尽快制定出高能加速器的预制方案”。此后，她和袁家骝多次回国访问和讲学，包括中国科学院、附属研究所和大学。他们曾多次参观中国科学院高能物理研究所、北京正负电子对撞机和北京谱仪。
这对夫妇不仅对中国如何发展科学教育、培养人才提出了许多中肯的建议，还阐述了重视基础科学、建立中国高能物理实验基地的建议。
1977年，吴健雄、袁家骝、李政道给张文宇先生写信，提出中国高能加速器的建设应选择一个既省钱又有丰富物理目标的方案。1981年初，由于国民经济调整，第八个七年计划的建设，即40GeV(十亿电子伏)的高能质子加速器下马。吴健雄夫妇听后非常着急，与李政道商量如何推进中国的高能物理实验基地。

朱宏源(右3)、谢家麟(右1)、吴健雄(右2)、卫奕信(右4)等正在美国讨论中国的高能加速器计划。图片来自中国科学院高能物理研究所。

不久，高能所的朱宏远、谢家林赴美，与美国的李政道、帕诺夫斯基、吴健雄、袁家骝和几位高能物理实验室的专家开会，讨论中国高能物理的前景。会后一致认为，在我国建设一台2×2.2GeV的正负电子对撞机是最佳方案，造价只有八七的三分之一，而且物理窗口内容丰富，还可以用于同步辐射应用研究，可以达到一机两用的效果。最后，经过多方努力，特别是李政道、邓小平和方毅之间的频繁沟通，该方案获得批准。
据中科院高能物理研究所郑志鹏介绍，在随后的访问中，吴健雄向中科院高能物理研究所的多位科研人员了解了设备和实验进展，包括BEPC计划、谱仪和τ轻子质量测量实验。

北京正负电子对撞机工程(BEPC)

当郑志鹏和他的同事请吴健雄在一个纪念封上签上BEPC上τ轻子质量的精确测量结果时，她激动地说:“我的两个梦想现在实现了。一个是中国人在自己的加速器和光谱仪上取得了世界级的物理成就；另一个是海峡两岸的中国科学家在自己的国家聚会……”