《奥本海默》中没有她,但物理界不能没有她

《奥本海默》中没有她,但物理界不能没有她
2023年09月09日 12:45 媒体滚动

请想象一下:

在20世纪中期,核物理领域内一系列重大发现井喷式出现,全世界的科学家们拼了命地挤进已经没有座位的演讲厅中,甚至爬上柱子只为了看清黑板上的方程式。

在这样的场合中心,却站着一个穿旗袍的中国女子。

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

她是,吴健雄。

有人说《奥本海默》中没有出现吴健雄,是因为她和奥本海默不熟。

实则不然。奥本海默亲切得喊她“JieJie”,认为她是beta衰变研究的权威,她则喊奥本海默Oppie。

1944年,吴健雄参与了曼哈顿计划:研发铀浓缩方法增加燃料供应。当时刚刚开始运行的位于汉福德区的生产钚-239的B反应堆经常停堆终止反应,吴健雄根据大量实验数据确认是核裂变产物之一的氙-135在反应器内大量吸收中子,使连锁反应缺乏足够中子而停止。

至于是不是因为和主剧情无关,所以影片中没有出现吴健雄,我们暂且不论。

我们想说的,是以她名字命名的“吴氏实验”,该实验证明了杨振宁和李政道提出的理论:弱相互作用中宇称不守恒,杨振宁和李政道也因此在1957年获得了诺贝尔物理学奖。

当你逐渐了解这个实验,你会感受到你仿佛在和当年的吴健雄对话,你能清晰得感知到她的坚韧、智慧和勇气。

即便在那个大神云集的年代,她也,熠熠生辉。

为了能够理解吴健雄的实验,我们首先需要解决的问题是:什么是宇称?

在理解物理学中的宇称之前,我们必须首先理解物理学中对称和守恒定律的概念。数学中的对称,我们都很熟悉。如果把正方形沿对称轴转90度,它和原图重合,在物理学中,对称的含义其实差不多。

现在,我们做一个并不是很严谨的假设:

将2ml的白酒滴入一杯咖啡中,观察白酒在咖啡中完全扩散所需时间。

在理想状态下,所有条件不变,你只是将杯子从桌子右上角挪到桌子右下角,白酒扩散所需时间不变。这就是平移对称性,即物理定律不随着空间中的位置而变化,对应了动量守恒。此外,今天滴白酒,明天滴白酒,也都不会影响扩散时间,这就是时间对称性,对应了能量守恒。最后,你把杯子转90度再滴白酒,扩散时间也不受影响,这就是旋转对称性,对应角动量守恒。

对称性,对于物理研究而言,到底有多重要呢?

试想一下,如果我们把咖啡杯分别放在桌子的两个位置上观察,却总结出两个扩散定律....

那物理学可就真不存在了。

那么,宇称守恒到底是指什么呢?

其实真的不难,只是“宇称”这个词容易让我们发懵。

说白了,宇称守恒,就是镜子里的世界,和真实的世界遵循着同样的物理定律。数学上看,可以简单理解成把坐标x,y,z变换成-x,-y,-z,结果不变,那就是宇称守恒。

现在,我们拿一面镜子。当我们把白酒滴入咖啡中后,镜子里面的扩散情况会如何?除了左右颠倒以外,白酒在咖啡中描绘出的扩散花纹,一定是相同的,你甚至无法区分哪一杯是真实的白酒咖啡,哪一杯又是镜中的。

直觉上而言,镜子里的世界和镜子外的世界,确实就应该只是左右互换而已。

难道上帝真的会更加偏爱左边或者右边吗?这一直被物理学界奉为基本定律之一,直到...吴健雄用实验证明了,上帝真的有偏爱性。

在20世纪四五十年代,存在着一个“τ-θ puzzle”:

τ和θ粒子有着完全一样的电荷、自旋和质量,无论怎么看都像是同一种粒子;但θ却衰变成两个π介子,τ衰变成三个π介子,如果衰变前后宇称守恒的话,那么θ的宇称应该是+1,τ的宇称应该是-1,那τ和θ就只能是两种粒子。但如果宇称不守恒,τ和θ就可以是同一种粒子。

如果宇称守恒,τ和θ宇称的计算方式

到了1956年,τ-θ谜题已经成为科学家们在各种会议上必定讨论的重大难题。这时,杨振宁和李政道提出弱相互作用下宇称不守恒,认为τ和θ是同一种粒子的两种不同衰变方式。由于这个设想打破了我们一直坚信的对称性定律,几乎遭到了所有著名物理学家的一致质疑。

在那个时候,物理学届之间有一种说法,如果吴健雄做了一个实验,它一定是正确的。因此,杨振宁和李政道向吴健雄求助。

吴建雄给了他们一本书,这里面包含了过去40年来所有β衰变实验的结果。结果发现,没有任何实验结果能够证明宇称是否守恒。

著名的吴氏实验,就在这样的紧急关头,诞生了。

首先,既然要验证宇称是否守恒,但肯定得先定义出“左”和“右”。

于是,我们将粒子简化成一个在不断自旋的运动小球,粒子的自旋方向这样定义:右手手指沿着粒子自旋的方向(顺时针或逆时针)缠绕,拇指的指向就是自旋方向。接着,把自旋方向与行进方向相同的粒子称为右手粒子,把自旋方向与行进方向相反的粒子称为左手粒子。

吴健雄选择了具有放射性的钴-60样品进行该实验,这是一种会发生β衰变的同位素,而β衰变涉及的正是弱相互作用,这也正是吴健雄所擅长研究的领域。

如果弱相互作用是宇称守恒的,那么,钴-60原子核衰变就应该在“真实”世界和“镜像”世界中产生相同的结果。但事实却令人震惊:电子更倾向于朝着与原子核自旋方向相反的方向发射。

结合这张图,我们可以简单地这样理解:

简单示意图简单示意图

在真实世界中,有一个自旋向上的钴-60原子核,经过衰变后,释放出的电子向下飞去。由于自旋方向和钴-60原子核一致,所以这是个左手电子。在镜像世界中,经过镜像变换,自旋由逆时针变成了顺时针,钴-60原子核变成了自旋向下。如果宇称守恒,那左手电子就应该变成右手电子,释放的电子也就应该还是向下飞。

但是,紧接着我们却发现,电子在镜像世界中向上飞走了!

也就是说,左手电子在经过镜像变换以后,还是左手性,并没有变成右手性。

这,就是宇称不守恒。

所幸这只是发生在弱相互作用中,如果日常生活中也是宇称不守恒...

你向上蹦跶一下,却诡异得发现镜子中的自己蹲了下去。

还是挺瘆人的。

理论上而言,这个实验貌似并不难,但实际上却需要解决很多问题,例如:微观粒子具有不确定性,我们不可能真的去观测某一个钴-60原子核发射出的电子,只能让一堆钴-60原子核衰变,以大量数据为基础,去分析电子发射方向是否在统计学上有偏向性。

此外,为了尽量减小钴原子的热运动,采用了绝热退磁的方法获得接近绝对零度的超低温。她还将样品置于匀强恒磁场中,以令原子核的自旋方向一致。这些在当时,都是最前沿的实验手段。期间遇到的各种困难,可以想象。

现在,我们来看吴健雄在1957年发表的论文中给出的统计结果:

论文原图

论文中提到,不对称因子α的符号是负的,也就是说,电子的发射更倾向于在与原子核自旋相反的方向上。由于涉及到许多因素,当时很难对α进行准确的计算。

当v/c≈0.6时候,α大约是0.4。从观测到的gamma射线各向异性数据可以计算出/I 的值约为0.6。这两个量给出了不对称参数β( α=β /I )的下限大约等于0.7。

此外,观察到的β不对称性,不随退磁场方向的反转而改变符号,表明这现象是本征的,并不是由样品中的剩余磁化引起的。

这就是历史上首次,在实验上证实:弱相互作用中宇称不守恒。

吴健雄曾经这样说过:一个实验物理学家聪明是重要的,但是不像理论物理学家聪明是最重要的;对一个实验物理学家而言,最重要的是坚持、好的判断力和一些运气。

寥寥片语,却道尽了她一生的准则。

在杨振宁和李政道提出宇称不守恒理论后,费曼、泡利、朗道这些物理界大咖都认为这是疯狂的想法,让学生们不必浪费时间去做实验。

就是在这样的环境下,吴健雄却表示愿意全力支持杨振宁和李政道,立刻取消了一切会议和旅行,一头扎进实验室,甚至携带着实验设备前往专精气体液化的国家标准局总部进行实验,只为了尽快得到可靠的实验结果。

吴健雄的孙女回忆说,吴健雄在晚年的时候,很喜欢坐在套着褪色黄灯绒芯的扶手椅上,望向窗外的校园,赞叹那些在打篮球的女生们。

她说:看她们,多么强壮,多么快啊。看她们,做事多么努力。

那句未说出口的话,大概是:

看她们,多像年轻时候的我啊。

参考文献:

[1]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.

[2]Discovering Dr.Wu by Jada Yuan (https://www.washingtonpost.com/lifestyle/2021/12/13/chien-shiung-wu-biography-physics-grandmother/)

吴健雄奥本海默
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