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吴健雄:诺贝尔奖不该疏漏的女科学家

来源:百科故事网时间:2017-08-05 08:20:01

吴健雄1912年5月出生于江苏省太仓县,她是美籍华人,是20世纪四、五十年代著名的实验物理学家,甚至于有人称她为“中国的居里夫人”、“核子研究的女王”,美国物理学会有史以来第一位女会长。著有《β衰变》、《实验物理方法·原子核物理学》等。

1957年,杨振宁和李正道由于发现弱相互作用中宇称不守恒,从而打破了宇称守恒定律,共同获得该年的诺贝尔物理奖,宣告了中国人在诺贝尔奖历史上“零”的突破。但是遗憾的是在这次发现中起中流砥柱作用的吴健雄教授却没有获得诺贝尔奖,为此,众多诺贝尔奖得主指出:

这是诺贝尔奖评委会的失误,吴健雄成了诺贝尔奖不该遗漏的女科学家。

吴健雄

自然界,不论动物、植物经常看到都是对称的现象,人是万物之灵,其生理结构也是左右对称的。人的所有器官组织都以脊椎为轴线左右对称,但是人体的对称也有先天的“缺损”,那就是心、肝、胃等内脏都只有一个,但它们仍各分居左右两侧,似乎尽可能保持均衡对称。微观世界也有种种奇异的对称情况。著名物理学家狄拉克认为,任何基本粒子都有与它对称的“反粒子”存在。像人们熟知的“电子”,它的反粒子叫“正电子”,其质量、寿命等要素都与电子一样,但它带1个正性电荷(电子电荷),而电子带一个负性电荷。另外,它们各自所具有的“轻子数”,是一种量子数,大小一样,而性质却正好相反,即电子的轻子数为+1,正电子的轻子数则为-1。又如,质子的反粒子叫“反质子”,彼此的性质也差不多;类似正反粒子的“大同小异”,便可视为一种对称性。这种对称性又并非十全十美,多少有些“缺损”,亦即质量、寿命一样,而在电荷符号、轻子数或重子数的正负号等方面稍有不同。正因为这种对称性的“缺损”,才使科学家们认识到它们的存在。

怎样让微观世界具体一些呢?为了形象表达基本粒子的左右对称性,著名物理学家维格纳引进一个叫“宇称”的概念,它是一种镜像对称性,即左右反演的对称。例如,人的左耳在镜子里就成了右耳,人的右腿在镜子里同样成了左腿。由此,微观世界的粒子,它的反粒子就可以说成是“镜像”粒子,即该粒子在镜中的像。这样,粒子的运动规律与其镜像粒子所满足的运动规律应是一致的。

在这一认识基础上,维格纳提出了“宇称守恒定律”,并确认每种粒子都有自己的“宇称值”。宇称值只有两类,一类是奇数宇称值(奇宇称),另一类是偶数宇称值(偶宇称)。微观粒子在一个反应过程中,反应前后,粒子宇称总值的奇偶性是完全一致的,这就是所说的“宇称守恒”。李正道和杨振宁两位年青物理学家思维敏锐,他们认真地分析了关于宇称守恒定律的所有实验,终于发现一个铁的事实是:宇称“守恒”的实验统统在强相互作用下进行的,至于弱相互作用下是否守恒并无直接的实验依据,只是人们想当然地把强相互作用下的“守恒”结论推而广之罢了。李、杨的这一重要发现,进一步打开了他们的思路:既然弱相互作用下的宇称守恒问题没有任何实验根据,那我们为何不可以假定它是不守恒的呢?经过深思熟虑,终于1956年郑重指出,宇称守恒定律在弱相互作用下也许并不守恒。这个假说提出来之后,立即掀起了轩然大波,几乎没有一个物理学家相信李、杨的这一假说。

就连大名鼎鼎的泡利,在当时是被人们称之为最伟大的物理学家,他对李、杨假说也从根本上不赞同。泡利在给他以前的学生韦斯科夫写信时,就曾这样写道:“我不相信上帝是一个没有用的左撇子,我愿打一个大赌,实验会给宇称一个守恒的结果。”李、杨的假设毕竟是一个假说。大胆假设固然可以,但必须小心地求证。要想打破宇称守恒定律,可不是随便闹着玩的,必须拿出过硬的实验证据来才行。否则,等于空想和白说。

在物理、化学领域甚至于所有的科学领域,科学家只守一个信条:“实验是检验真理的唯一标准。”只有用实验数据说话,才最有说服力,然而,李正道和杨振宁都是理论物理学家,做实验不是他们的特长,必须请实验高手来实验,才会有权威和说服力。他们想到了吴健雄。

吴健雄女士是知名的物理学家,她在全世界素以做原子核β衰变实验研究而著称。正巧李、杨提出的实验中,就有一个是用β衰变来验证宇称是否守恒,因为这种β衰变反应完全是由弱相互作用引发的。吴健雄是世界顶级大物理学家,她立马意识到这一实验的重要性,于是果断地接受邀请,热情地接下了这一实验重任。她原本计划与丈夫袁家骝一起于这年夏天赴欧讲学,便毅然取消计划留下来做这项实验。

“伟大的泡利”曾与吴健雄是同事,对她十分敬重,熟知她“对核物理这门科学的兴趣简直浓厚到了令人难以想象的程度”。当他从韦斯科夫那里得知,吴健雄正准备用实验检验宇称守恒定律时,他立即给韦斯科夫回信说:“像吴健雄这么好的实验物理学家,应该找一些重要的事情去做。现在做这个实验纯粹是浪费时间,我愿意下任何数目的赌注,来赌宇称一定是守恒的。”泡利与另一位物理学家坦默尔对话时,同样强调“宇称一定是守恒的”。半年后,泡利再次遇见坦默尔,他们又谈起吴健雄的实验,泡利更武断地说:“我上次说的话没错,这件事该结束了!”吴健雄不愧为大科学家,她崇尚科学真理,不顾学界舆论的压力,认真对待与李、杨的合作。她将实验作了精心的设计:首先,对实验所选用的钴-60原子核进行“极化”,亦即使它在磁场作用下都沿一个方向排列。然后,仔细检测由这些原子核所放出的β粒子在空间各方向上的分布(称之为角分布)。如果宇称是守恒的话,在各方向上的β粒子分布将是对称的;如果宇称不守恒,那么β粒子的角分布势必呈现明显的不均匀。

“万事俱备,只欠东风”。上述实验必须在极低的温度下才能进行,这种低温距所谓热力学温度的零度(OK)只差千分之一度。也就是说,此温度之低已接近-273.67℃的绝对零度了。这样低温环境的实验设备,在当时的美国也只有国家标准局才能提供,毫无疑问,吴健雄当然要与那里的科学家合作,便开始了这项实验。然而,国家标准局在华盛顿,而哥伦比亚大学在纽约,两市相隔几百公里。吴健雄既要做实验,又要回家照料自己不满10岁的孩子,因此她不得不在两地来回穿梭,辛苦异常。每天只能吃简单食品,寸步不离实验仪器。经过5个多月日以继夜的苦战,实验终于在1956年12月初取得完全成功。她兴奋万分,高兴地喃喃自语:“老天爷为什么支持我揭示这个奥秘?”还深有感触地说:“这件事给了我一个很好的启事,永远不要把所谓‘不验自明’的定律视为必然。”吴健雄的思维在科学研究中得到了进一步的升华。

1957年1月15日,哥伦比亚大学举行隆重的新闻发布会,公布了这项重大发现。第二天,《纽约时报》等新闻媒体都在头版头条刊登消息,大字标题:“宇称守恒定律被推翻!”接着在1月30日,美国物理学会于纽约召开年会,与会者竟多达3000多人,创下了该学会有史以来到会人数的最高记录。这么多人来自全美各地,都是赶来亲自听取吴、李、杨的第一手报告。大家都明白,推翻宇称守恒定律是一件大事。它意味着是二战以后物理学取得的最大成就。确实是这样,与宇称相关连的对称性已被认为像时间、空间一样,属于物质世界最基本的属性。那些曾一度反对他们假想和实验的人在事实面前只好认输了。当年的1月27日,泡利又给韦斯科夫写信,他在信上说:“第一次震惊已经过去,现在我开始重新思考。”接着又写道:“现在我该怎么办呢?幸亏我只在口头上和书信上与别人打赌,没有认真其事,更没有形成合约文字,否则我哪能输得起那么多的钱呢!现在,别人有权来取笑我了。令我惊讶的是,上帝真是个左撇子,他在用力时双手是对称的。就是说,现在面临着这样一个问题:为什么在强相互作用中左右是对称的?”泡利虽在绕着弯子辩说,但终究还是服服帖帖的认输了。

吴健雄于1997年初去世,享年85岁,根据她的遗愿,其丈夫和子女,把她的骨灰运回了祖国,埋在了故乡太仓,祖国人民为她举行了隆重的葬礼,纪念这位魂系祖国的著名科学家载誉归来。
 

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