郵票上的吳健雄與鏡子中的物理學(xué)

2021-07-19 08:42

來源：澎湃新聞·澎湃號(hào)·湃客

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原創(chuàng) 徐亦迅返樸

2021年2月11日，美國(guó)郵政局發(fā)行了紀(jì)念杰出華人物理學(xué)家吳健雄的永久性郵票。這一天是國(guó)際婦女與女童參與科學(xué)日（International Day of Women and Girls in Science），碰巧又是農(nóng)歷辛丑年的正月初一。吳健雄作為女性科學(xué)家的典范，獲得了以特殊方式紀(jì)念和表彰的殊榮，這是全球華人的驕傲！在此用一篇科普小品來懷念這位卓越的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家。

撰文 | 徐亦迅

本文將整合物理學(xué)科普與科學(xué)史兩種視角，簡(jiǎn)要回顧1956年弱相互作用中宇稱不守恒現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，并探討完成重要實(shí)驗(yàn)的吳健雄教授為何沒被諾獎(jiǎng)委員會(huì)所青睞。作為背景知識(shí)，我們需要介紹物理學(xué)中的一個(gè)基本概念：鏡像對(duì)稱（reflection symmetry）。

很多人在照鏡子時(shí)都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)疑問：為什么在鏡中上下沒有顛倒，而左右是顛倒的？其實(shí)所謂的“左右顛倒”只是一個(gè)幻像，因?yàn)樽蠛陀疫@兩個(gè)方向是一個(gè)相對(duì)的概念，與照鏡者的視角有關(guān)。如果單純從鏡外人的視角來看，左右并沒有顛倒，只有從鏡中人的視角反過來看，我們才覺得鏡中的虛像出現(xiàn)了左右互換。三維空間的直角坐標(biāo)中真正發(fā)生顛倒的只有圖1中代表前后方向的綠色箭頭，正對(duì)平面鏡時(shí)的前后方向無疑在鏡中是相反的。

圖1. 鏡像對(duì)稱丨來源：Youtube科普視頻；Gardner, M. (1990) The New Ambidextrous Universe, Chapter 1: Mirrors

我們?cè)倩叵胍幌氯S矢量代數(shù)中定義兩個(gè)矢量叉積的右手定則（圖2），如果前后出現(xiàn)了反向，那么為了數(shù)學(xué)上的自洽，我們?cè)阽R中使用的其實(shí)是滿足左手定則的直角坐標(biāo)系。因此鏡像中顛倒的并不是左右的方向，而是左手系和右手系這兩個(gè)不同的三維直角坐標(biāo)系發(fā)生了對(duì)換。

圖2. 矢量叉積的右手定則

著名科普作家Martin Gardner在The New Ambidextrous Universe一書中還給出了幾個(gè)發(fā)人深思的例子。如果我們面對(duì)的是左右直角折疊的兩面鏡子（或者如圖1右上，顯示呈左右弧線的彎鏡），那么哪怕從鏡外人的視角看，鏡內(nèi)和鏡外的左右手都沒有顛倒。而如果我們面對(duì)上下直角折疊的兩面鏡子（或者如圖1右下，顯示呈上下弧線的彎鏡），那么鏡外人會(huì)驚訝地發(fā)現(xiàn)上下發(fā)生了顛倒。這可以進(jìn)一步說明，所謂的“左右顛倒”和“上下不顛倒”都是人腦對(duì)眼中圖像的再解釋。

1956年，物理學(xué)家李政道和楊振寧對(duì)困擾當(dāng)時(shí)高能粒子物理學(xué)界的“奇異粒子”現(xiàn)象產(chǎn)生了興趣。這一現(xiàn)象也被稱為“θ-τ之謎”，θ介子和τ介子明明具有相同的質(zhì)量和半衰期，它們的衰變方式卻不一樣：

李楊二人在研究過程中發(fā)現(xiàn)，想要判斷θ和τ在本質(zhì)上究竟是同一種還是不同的基本粒子，關(guān)鍵在于探究衰變這一弱相互作用現(xiàn)象是否也滿足物理學(xué)界普遍認(rèn)為是不證自明的宇稱守恒定律（鏡像對(duì)稱）。

宇稱守恒定律認(rèn)為鏡外和鏡內(nèi)所觀測(cè)到物理學(xué)規(guī)律應(yīng)該是完全相同的，而大量實(shí)驗(yàn)也證明引力場(chǎng)、電磁場(chǎng)以及強(qiáng)相互作用中宇稱完全守恒。李楊二人在深入討論時(shí)忽然意識(shí)到，到1956年為止，似乎還沒有專門設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)用來驗(yàn)證弱相互作用下的宇稱是否守恒。為了確認(rèn)可能存在的宇稱不守恒能否從已有的β衰變實(shí)驗(yàn)結(jié)果中推論而出，他們花了幾周的時(shí)間進(jìn)行了大量周密的理論計(jì)算，發(fā)現(xiàn)這些結(jié)果和宇稱是否守恒沒有一點(diǎn)關(guān)系。

李楊二人在1956年6月投稿的這篇經(jīng)典論文還有一個(gè)獨(dú)到之處：他們通過理論計(jì)算指出已有實(shí)驗(yàn)的局限性之后，還精心設(shè)計(jì)了兩套新的弱相互作用實(shí)驗(yàn)方案，可以毫不含糊地驗(yàn)證宇稱是否守恒。其中第一套方案的構(gòu)思得益于兩人與吳健雄教授的討論，而吳教授在當(dāng)時(shí)已是β衰變實(shí)驗(yàn)的權(quán)威學(xué)者之一。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是選用60Co這一放射性同位素，它是通過慢中子束轟擊穩(wěn)定同位素59Co而人工合成的：

很多人對(duì)鈷（Cobalt）這個(gè)過渡金屬元素的唯一印象恐怕來自中學(xué)時(shí)代背誦元素周期表時(shí)的那句“鐵鈷鎳銅鋅”。60Co的原子核由27個(gè)質(zhì)子和33個(gè)中子構(gòu)成，它的半衰期是5.27年，容易通過兩步β衰變而轉(zhuǎn)化為鎳原子核60Ni并同時(shí)釋放出一個(gè)電子、一個(gè)反中微子和兩種γ射線：

一個(gè)60Co樣品每秒鐘可以釋放出上萬個(gè)電子，因此是極好的放射源。我們知道質(zhì)子和中子都有一種最早在電子研究中發(fā)現(xiàn)的內(nèi)蘊(yùn)角動(dòng)量：自旋（spin）。當(dāng)有外加磁場(chǎng)時(shí)，量子化的自旋角動(dòng)量就能通過磁矩這個(gè)物理量被實(shí)驗(yàn)者觀測(cè)。對(duì)于宇稱是否守恒的研究而言，我們需要在概念上區(qū)分真矢量（又名極矢量，polar vector或proper vector）與贗矢量（又名軸矢量，axial vector或pseudovector），它們?cè)阽R像反射下具有截然不同的行為。

圖3. 真矢量與贗矢量在鏡像反射下具有截然不同的行為丨來源：黃亦斌, 聶義友 (2007) 鏡像對(duì)稱性在電磁學(xué)中的應(yīng)用，《大學(xué)物理》, 10: 24-30.

圖3的下半部顯示，類似矢徑這樣的真矢量（線速度、動(dòng)量、電場(chǎng)強(qiáng)度……），其鏡像中與鏡面M平行的分量不變，而與鏡面垂直的分量反向（參見圖1中的綠色箭頭）；圖3的上半部顯示，類似角速度這樣的贗矢量（角動(dòng)量、磁場(chǎng)強(qiáng)度……），其鏡像中與鏡面M垂直的分量不變，而與鏡面平行的分量則反向。如果想在直覺上快速理解贗矢量在鏡中的平行分量為何要反向，我們可以回想一下圖2中兩個(gè)三維矢量的叉積。兩個(gè)真矢量的叉積是一個(gè)贗矢量，而量子化的自旋角動(dòng)量和經(jīng)典力學(xué)中的角動(dòng)量一樣，都可視作是矢徑與動(dòng)量的叉積。對(duì)于一個(gè)叉積的鏡像而言，鏡外的右手定則到了鏡內(nèi)只有變成左手定則才能在數(shù)學(xué)和物理意義上自洽。左手和右手坐標(biāo)系的不同導(dǎo)致了贗矢量與鏡面平行的分量需要在鏡中反向。

前文已經(jīng)提到，60Co原子核在β衰變過程中會(huì)釋放一個(gè)電子。注意，這并非來自核外電子層，而是原子核本身衰變的產(chǎn)物，故又稱為β射線。如果我們能用低溫物理學(xué)手段使得60Co核沿著外磁場(chǎng)方向極化（即樣品中所有60Co核的自旋角動(dòng)量指向一個(gè)方向），那么通過互為鏡像的兩套實(shí)驗(yàn)裝置來測(cè)量β射線強(qiáng)度的各向異性角度分布，就能驗(yàn)證宇稱是否守恒 (圖4和圖5)。

圖4. 自旋角動(dòng)量的贗矢量特性與吳健雄等人的60Co原子核β衰變實(shí)驗(yàn)基本思路。

圖5. 吳健雄等人檢驗(yàn)宇稱是否守恒的60Co原子核β衰變實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果解讀

這個(gè)實(shí)驗(yàn)所需的溫度低達(dá)0.003開爾文，實(shí)驗(yàn)者通過反轉(zhuǎn)外加磁場(chǎng)的方向營(yíng)造了一個(gè)“鏡內(nèi)世界”。注意，圖5右邊裝置中，左旋螺線管的電流方向雖然與左側(cè)右旋螺線管一樣，但電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度是贗矢量，“鏡外”的右手定則在“鏡內(nèi)”需改為左手定則，因此磁場(chǎng)方向相反。我們?cè)趫D4中把“鏡外”向上的β射線強(qiáng)度記為I1, 向下的β射線強(qiáng)度記為I2；把“鏡內(nèi)”向上的β射線強(qiáng)度記為I1', 向下的β射線強(qiáng)度記為I2'。假設(shè)β衰變過程中宇稱守恒（鏡像對(duì)稱性），那么我們預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是：I1 = I1', I2 = I2'。另外早被多種實(shí)驗(yàn)證實(shí)的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是：I1 = I2', I2 = I1'。如果兩種對(duì)稱性都成立的話，實(shí)驗(yàn)將會(huì)同時(shí)觀測(cè)到：I1 = I2，I1' = I2'。

吳健雄深知該實(shí)驗(yàn)將面臨兩大挑戰(zhàn)：(1) β射線探測(cè)器在極低溫的環(huán)境下如何保持功能正常？(2) 如何使一個(gè)非常薄的60Co核β放射源保持極化狀態(tài)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，從而得到足量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)？吳教授本人并非低溫物理學(xué)專家，而她所在的哥倫比亞大學(xué)低溫物理設(shè)備水準(zhǔn)又不夠，于是決定和華府附近的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局（NIST）的科學(xué)家安伯勒（Ernest Ambler）聯(lián)系合作事宜。

1956年9月，吳健雄作客NIST正式開始了與安伯勒等四位低溫物理學(xué)專家合作的實(shí)驗(yàn)。雖然雙方由于性格與做事方式的差異而并不愉快，但是整個(gè)實(shí)驗(yàn)在排除了種種困難之后到了圣誕節(jié)前后已接近成功，令人驚喜地觀測(cè)到了這樣的結(jié)果：I2 >> I1，I1' >> I2'。如果觀測(cè)結(jié)果可以被核實(shí)，那么上文分析中的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性再次被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，而宇稱守恒就被實(shí)驗(yàn)結(jié)果推翻！

1957年1月4日，哥倫比亞大學(xué)物理系午餐聚會(huì)上，年輕的李政道并沒有過分在意吳教授之前關(guān)于暫時(shí)不向外人透露的叮囑，把實(shí)驗(yàn)接近成功的消息告訴了與會(huì)人士。在場(chǎng)的萊德曼教授 (Leon Lederman) 聽后心想，如果弱相互作用下宇稱真的不守恒，那么以他正在進(jìn)行的一個(gè)加速器實(shí)驗(yàn)，加上一點(diǎn)運(yùn)氣，也許就能利用π和μ介子來完成李楊論文中設(shè)計(jì)的第二套實(shí)驗(yàn)方案。在IBM公司就職的實(shí)驗(yàn)物理高手加文 (Richard Garwin) 及時(shí)提供了巧妙的設(shè)計(jì)思路，萊德曼團(tuán)隊(duì)只用了四天時(shí)間就完成了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果清晰地指向宇稱不守恒，可謂后發(fā)先至。

不過萊德曼頗有科研道德操守，論文寫完后等了吳健雄團(tuán)隊(duì)一個(gè)星期，最后兩篇論文在1957年1月15日同一天寄到Physical Review雜志，不久后又同一天發(fā)表。這在很多人看來，顯然是兩個(gè)實(shí)驗(yàn)小組幾乎打平的格局。吳教授在后來的新聞發(fā)布會(huì)上沒有介紹NIST四位合作者的貢獻(xiàn)，導(dǎo)致安伯勒的老師柯提 (Nicholas Kurti) 專門發(fā)文表達(dá)不滿。按照諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)的工作流程，1957年度的各獎(jiǎng)項(xiàng)提名截止日期是1月底。而吳健雄團(tuán)隊(duì)與萊德曼團(tuán)隊(duì)的兩篇論文都是在2月15日才正式刊印，這就意味著吳教授沒有可能在1957年就獲得物理學(xué)獎(jiǎng)的提名 (圖6)。

圖6. 諾貝爾獎(jiǎng)提名數(shù)據(jù)庫(kù)中有關(guān)吳健雄被提名的完整記錄

李楊二人首次被提名就在當(dāng)年順利獲獎(jiǎng)，這是諾獎(jiǎng)歷史上極為罕見的好運(yùn)氣。而吳教授從1958年開始的幾年內(nèi)先后被提名7次，萊德曼教授從1959年開始獲得提名，兩人最后都沒能因?yàn)樽C明宇稱不守恒的實(shí)驗(yàn)而獲獎(jiǎng)。萊德曼后來以發(fā)明中微子束的實(shí)驗(yàn)方法而獲得了1988年度的物理學(xué)獎(jiǎng)。雖然歷史沒有如果，但我們?nèi)滩蛔∵€想推斷，倘若李楊需要等待一兩年再獲獎(jiǎng)，那么就不能排除吳教授分享的可能性 (萊德曼的首次被提名較晚，與宇稱不守恒實(shí)驗(yàn)有關(guān)的總提名次數(shù)也較少)。如今回看諾貝爾委員會(huì)的最終決定，與其簡(jiǎn)單貼上“性別歧視”的標(biāo)簽（明顯的反例就是居里夫人第二次被委員會(huì)青睞時(shí)，是在1911年一人獨(dú)得化學(xué)獎(jiǎng)），不如說是前文討論所揭示的歷史偶然性。