郵票上的吳健雄與鏡子中的物理學

2021-07-19 08:42

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

原創徐亦迅返樸

2021年2月11日，美國郵政局發行了紀念杰出華人物理學家吳健雄的永久性郵票。這一天是國際婦女與女童參與科學日（International Day of Women and Girls in Science），碰巧又是農歷辛丑年的正月初一。吳健雄作為女性科學家的典范，獲得了以特殊方式紀念和表彰的殊榮，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驗物理學家。

撰文 | 徐亦迅

本文將整合物理學科普與科學史兩種視角，簡要回顧1956年弱相互作用中宇稱不守恒現象的發現，并探討完成重要實驗的吳健雄教授為何沒被諾獎委員會所青睞。作為背景知識，我們需要介紹物理學中的一個基本概念：鏡像對稱（reflection symmetry）。

很多人在照鏡子時都會產生一個疑問：為什么在鏡中上下沒有顛倒，而左右是顛倒的？其實所謂的“左右顛倒”只是一個幻像，因為左和右這兩個方向是一個相對的概念，與照鏡者的視角有關。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了左右互換。三維空間的直角坐標中真正發生顛倒的只有圖1中代表前后方向的綠色箭頭，正對平面鏡時的前后方向無疑在鏡中是相反的。

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

我們再回想一下三維矢量代數中定義兩個矢量叉積的右手定則（圖2），如果前后出現了反向，那么為了數學上的自洽，我們在鏡中使用的其實是滿足左手定則的直角坐標系。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不同的三維直角坐標系發生了對換。

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發人深思的例子。如果我們面對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，鏡內和鏡外的左右手都沒有顛倒。而如果我們面對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），那么鏡外人會驚訝地發現上下發生了顛倒。這可以進一步說明，所謂的“左右顛倒”和“上下不顛倒”都是人腦對眼中圖像的再解釋。

1956年，物理學家李政道和楊振寧對困擾當時高能粒子物理學界的“奇異粒子”現象產生了興趣。這一現象也被稱為“θ-τ之謎”，θ介子和τ介子明明具有相同的質量和半衰期，它們的衰變方式卻不一樣：

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

宇稱守恒定律認為鏡外和鏡內所觀測到物理學規律應該是完全相同的，而大量實驗也證明引力場、電磁場以及強相互作用中宇稱完全守恒。李楊二人在深入討論時忽然意識到，到1956年為止，似乎還沒有專門設計的實驗用來驗證弱相互作用下的宇稱是否守恒。為了確認可能存在的宇稱不守恒能否從已有的β衰變實驗結果中推論而出，他們花了幾周的時間進行了大量周密的理論計算，發現這些結果和宇稱是否守恒沒有一點關系。

李楊二人在1956年6月投稿的這篇經典論文還有一個獨到之處：他們通過理論計算指出已有實驗的局限性之后，還精心設計了兩套新的弱相互作用實驗方案，可以毫不含糊地驗證宇稱是否守恒。其中第一套方案的構思得益于兩人與吳健雄教授的討論，而吳教授在當時已是β衰變實驗的權威學者之一。這個實驗的關鍵是選用60Co這一放射性同位素，它是通過慢中子束轟擊穩定同位素59Co而人工合成的：

很多人對鈷（Cobalt）這個過渡金屬元素的唯一印象恐怕來自中學時代背誦元素周期表時的那句“鐵鈷鎳銅鋅”。60Co的原子核由27個質子和33個中子構成，它的半衰期是5.27年，容易通過兩步β衰變而轉化為鎳原子核60Ni并同時釋放出一個電子、一個反中微子和兩種γ射線：

一個60Co樣品每秒鐘可以釋放出上萬個電子，因此是極好的放射源。我們知道質子和中子都有一種最早在電子研究中發現的內蘊角動量：自旋（spin）。當有外加磁場時，量子化的自旋角動量就能通過磁矩這個物理量被實驗者觀測。對于宇稱是否守恒的研究而言，我們需要在概念上區分真矢量（又名極矢量，polar vector或proper vector）與贗矢量（又名軸矢量，axial vector或pseudovector），它們在鏡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) 鏡像對稱性在電磁學中的應用，《大學物理》, 10: 24-30.

圖3的下半部顯示，類似矢徑這樣的真矢量（線速度、動量、電場強度……），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（角動量、磁場強度……），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中兩個三維矢量的叉積。兩個真矢量的叉積是一個贗矢量，而量子化的自旋角動量和經典力學中的角動量一樣，都可視作是矢徑與動量的叉積。對于一個叉積的鏡像而言，鏡外的右手定則到了鏡內只有變成左手定則才能在數學和物理意義上自洽。左手和右手坐標系的不同導致了贗矢量與鏡面平行的分量需要在鏡中反向。

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

圖4. 自旋角動量的贗矢量特性與吳健雄等人的60Co原子核β衰變實驗基本思路。

圖5. 吳健雄等人檢驗宇稱是否守恒的60Co原子核β衰變實驗設計與結果解讀

這個實驗所需的溫度低達0.003開爾文，實驗者通過反轉外加磁場的方向營造了一個“鏡內世界”。注意，圖5右邊裝置中，左旋螺線管的電流方向雖然與左側右旋螺線管一樣，但電流產生的磁場強度是贗矢量，“鏡外”的右手定則在“鏡內”需改為左手定則，因此磁場方向相反。我們在圖4中把“鏡外”向上的β射線強度記為I1, 向下的β射線強度記為I2；把“鏡內”向上的β射線強度記為I1', 向下的β射線強度記為I2'。假設β衰變過程中宇稱守恒（鏡像對稱性），那么我們預期的實驗結果是：I1 = I1', I2 = I2'。另外早被多種實驗證實的旋轉對稱性預期的實驗結果是：I1 = I2', I2 = I1'。如果兩種對稱性都成立的話，實驗將會同時觀測到：I1 = I2，I1' = I2'。

吳健雄深知該實驗將面臨兩大挑戰：(1) β射線探測器在極低溫的環境下如何保持功能正常？(2) 如何使一個非常薄的60Co核β放射源保持極化狀態足夠長的時間，從而得到足量的統計數據？吳教授本人并非低溫物理學專家，而她所在的哥倫比亞大學低溫物理設備水準又不夠，于是決定和華府附近的國家標準局（NIST）的科學家安伯勒（Ernest Ambler）聯系合作事宜。

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專家合作的實驗。雖然雙方由于性格與做事方式的差異而并不愉快，但是整個實驗在排除了種種困難之后到了圣誕節前后已接近成功，令人驚喜地觀測到了這樣的結果：I2 >> I1，I1' >> I2'。如果觀測結果可以被核實，那么上文分析中的旋轉對稱性再次被實驗證實，而宇稱守恒就被實驗結果推翻！

1957年1月4日，哥倫比亞大學物理系午餐聚會上，年輕的李政道并沒有過分在意吳教授之前關于暫時不向外人透露的叮囑，把實驗接近成功的消息告訴了與會人士。在場的萊德曼教授 (Leon Lederman) 聽后心想，如果弱相互作用下宇稱真的不守恒，那么以他正在進行的一個加速器實驗，加上一點運氣，也許就能利用π和μ介子來完成李楊論文中設計的第二套實驗方案。在IBM公司就職的實驗物理高手加文 (Richard Garwin) 及時提供了巧妙的設計思路，萊德曼團隊只用了四天時間就完成了實驗，結果清晰地指向宇稱不守恒，可謂后發先至。

不過萊德曼頗有科研道德操守，論文寫完后等了吳健雄團隊一個星期，最后兩篇論文在1957年1月15日同一天寄到Physical Review雜志，不久后又同一天發表。這在很多人看來，顯然是兩個實驗小組幾乎打平的格局。吳教授在后來的新聞發布會上沒有介紹NIST四位合作者的貢獻，導致安伯勒的老師柯提 (Nicholas Kurti) 專門發文表達不滿。按照諾貝爾獎委員會的工作流程，1957年度的各獎項提名截止日期是1月底。而吳健雄團隊與萊德曼團隊的兩篇論文都是在2月15日才正式刊印，這就意味著吳教授沒有可能在1957年就獲得物理學獎的提名 (圖6)。

圖6. 諾貝爾獎提名數據庫中有關吳健雄被提名的完整記錄

李楊二人首次被提名就在當年順利獲獎，這是諾獎歷史上極為罕見的好運氣。而吳教授從1958年開始的幾年內先后被提名7次，萊德曼教授從1959年開始獲得提名，兩人最后都沒能因為證明宇稱不守恒的實驗而獲獎。萊德曼后來以發明中微子束的實驗方法而獲得了1988年度的物理學獎。雖然歷史沒有如果，但我們忍不住還想推斷，倘若李楊需要等待一兩年再獲獎，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，與宇稱不守恒實驗有關的總提名次數也較少)。如今回看諾貝爾委員會的最終決定，與其簡單貼上“性別歧視”的標簽（明顯的反例就是居里夫人第二次被委員會青睞時，是在1911年一人獨得化學獎），不如說是前文討論所揭示的歷史偶然性。