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吴健雄:在宇称不守恒发现中的不朽贡献(下) | 王丹红专栏

图源:Carly Wilkins,美国能源部


撰文|王丹红(《知识分子》专栏作者)

责编 | 陈晓雪


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目  录

上篇
1.  “风从哪里来”
2.  1956年罗切斯特会议  “θ-τ之谜”
3. 从二维标量 到 三维赝量
4. 李政道和杨振宁合作
5. 吴健雄 1956年5月6日
6.  “用Co-60是健雄提出来的”
7. 西格邦1955年出版 《β 和伽马射线光谱学》
8.  “吴实验”

 

下篇

9.  “宇称是不守恒的,这句难懂的话像新福音一样传遍了全世界”
10. 证词:奥本海默 斯坦伯格 加温 莱德曼
11. “风到哪里去了?”

 

写作手记:
永远的吴健雄



相关文章:

吴健雄:在宇称不守恒发现中的不朽贡献(上)



9


“宇称是不守恒的”,这一难懂的话

像新福音一样传遍了全世界


1957年1月15日 纽约哥伦比亚大学物理系普平大楼818室,召开新闻发布会,宣布物理学家推翻宇称守恒的物理定律。前排为吴健雄(左一)、李政道。第二排:安伯勒, 赫德逊, 霍普斯 (国家标准局)  来源:哥伦比亚大学物理系吴健雄 档案

 

在某种意义上,一个相当完整的理论结构已从根本上被打碎,我们不知道这些碎片将来如何能再聚在一起。

——R. 拉比 哥伦比亚大学物理学家  1957.1.15


在(1957年)1月15日的下午,哥伦比亚大学物理系召开了一个新闻发布会,宣布物理学一个基本定律出人意料地被推翻了……这一新闻在公众中爆开,迅速传遍全世界。正如剑桥大学O. R. 弗瑞奇教授(O. R. Frisch)在那时的讲话中所描述:“宇称是不守恒的”这一难懂的语句,像一个新福音传遍了世界。

——吴健雄 自述 1972年 世界科学通讯出版社


1956年12月24日,圣诞前夜,华盛顿特区大雪纷飞,机场关闭,吴健雄乘当晚最后一班火车回纽约。

 

她的内心异常激动,她和国家标准局合作的实验明显表明:在弱相互作用中宇称是不守恒的。

 

当火车抵达纽约宾夕法尼亚火车站之后,她立即在车站打电话给李政道教授,告诉他实验组观察到的不对称是可以重复的,而且很大,但还需要对实验作深入详尽的检查。

 

她在1972年的回忆中写道:

 
在圣诞节前夕,机场因大雪关闭,我乘末班火车回到纽约。我告诉李教授我们观察到的不对称是可以重复的,而且很大。不对称参数接近-1。李教授说非常好,这个结果正是中微子二分量理论所期望的。

 

1997年5月30日,李政道在北京大学纪念吴健雄的演讲中说:

 
我记得清楚极了,那是圣诞节前夜。我在半夜里接到健雄打来的电话,她说实验结果证明宇称不守恒的参数很大。我说,好极了,这同我和杨振宁的两分量理论完全吻合。我问她:“你在哪里打电话?” 她说是在火车站打的。我心里一楞,便对她说这太危险了,因为纽约的火车站半夜里是非常不安全的。那时在下大雪,飞机不通,她立刻改坐火车回来。一下火车,她就在火车站里给我打电话,因为她觉得结果非常重要。这种精神是令人钦佩的。

 

李政道回忆,1956年12月29日,吴健雄又打电话告诉他:她们的钴60实验结果真正显示出宇称不守恒,但还需要进一步检查以确定这一破坏的准确量级。

  

元旦假期后,1957年1月2日,吴健雄回到华盛顿国家标准局。

 

1957年1月3日,星期四,她回到纽约,来到李政道办公室,她说已经检查了全部的修正,宇称破缺的效应是很大的,李政道向她担保这是极好的结果。李政道立即打电话给同事莱德曼和在普林斯顿的杨振宁。

 

1月10日前后(江才健著《杨振宁传》显示为1月5日,杨振宁1982年文章《吴健雄证实了宇称不守恒》显示为1月15日),杨振宁给正在加勒比海度假的奥本海默发了一封电报,告诉他吴健雄的实验显示出有很大的不对称性结果。奥本海默的回电只有几个字:“走出了房门。”(Out of the door.)他这样写的原因,应该是杨振宁在1956年的一次报告中说,他当时将高能物理学家在1956年的情况,比喻为在一间黑暗房子里的人,他知道门一定在某一个方向,但这个方向在哪里呢?



在国家标准局的实验结果之前,李政道曾多次与他在哥伦比亚的同事、实验物理学家莱德曼讨论,敦促他做实验,但莱德曼一直没有做。这一次,1月3日晚上,李政道在电话中强调了吴健雄实验的结果,建议他必须做实验。

 

莱德曼生于1922年,当时是哥伦比亚大学物理系的副教授。李政道说:“那年,杨和我同莱德曼讨论了多次,敦促他去做实验。但是莱德曼不太愿意去做,部分原因是他正忙于其他实验(他总是忙),部分原因是他担心宇称破坏的效应在衰变和衰变两者中的可能性不大,在级联事例中所观察到的效应依赖于乘积,因而可能性十分小。”

 

这也说明了吴健雄对于物理学的深刻见识和实验天才。还好,莱德曼后来终于听从了李政道的建议开展了其它新实验,在1962年做出了后来赢得1988年诺贝尔物理学奖的工作。1997年5月,莱德曼和加温在《自然》撰文,为吴健雄在宇称不守恒实验中的领导作用辩护,这是后话。

 

1957年 1月4日,星期五,哥伦比亚大学的物理学家们聚集在一起,共进 “中国午餐”,这是自李政道自1953年到哥伦比亚大学后开始的一个传统。

 

“星期五中国午餐” 也是学术讲座日,这一天的主题是 “吴健雄的星期五-午餐”(Wu’s Friday-Lunch)。李政道报告了吴健雄告诉他的好消息:哥伦比亚-国家标准局的实验证明宇称是不守恒的,并介绍了他和杨振宁的思路。莱德曼说,他可以设计一个实验,如果运气好的话,可以证明另一种弱衰变中宇称也是不守恒的。


当晚9点左右,莱德曼和加温联系,讨论这一问题;10:15时,他们想出如何做这个实验;凌晨两点,两人已经开始在哥伦比亚大学的加速器上取数据。他们只用了四天时间看到实验结果。他们设计的实验是用介子衰变成粒子、再衰变成电子和中微子。


令李政道大为吃惊的是,1月8日,星期二清晨6点左右,莱德曼打电话告诉他:宇称守恒“死了”。

  

莱德曼实验组在1957年2月15日《物理评论》论文中,致谢李政道教授的关键性作用,确认了李-杨论文的思想;感谢吴健雄教授报告了钴60实验的早期实验结果,在哥伦比亚大学实验组之前的讨论中发挥了至关重要的作用。

 

1月9日,星期三凌晨两点,在华盛顿特区国家标准局,吴健雄和同事们终于完成实验验证,五位科学家聚集在实验室,用一瓶1949年份的法国红葡萄酒和几个纸杯,为他们推翻宇称守恒定律而干杯。

 

1月11日,星期五,哥伦比亚大学普平物理实验大楼831会议室,李政道、杨振宁、吴健雄,以及加温-莱德曼实验组的成员,讨论确认了宇称不守恒的理论假设和两项实验结果。

 

1957年1月15日,星期二,哥伦比亚大学物理系为这一系列的新发现举行了新闻发布会,物理系前主任拉比(1946年诺贝尔物理学奖)当时正在麻省理工学院带薪休假,接到电话后赶回来主持新闻发布会。吴健雄、李政道、莱德曼、加温和国家标准局的安伯勒等出席。拉比宣布:

 

在某种意义上,一个相当完整的理论结构已从根本上被打碎,我们不知道这些碎片将来如何能再聚在一起。

 

1957年1月16日的《纽约时报》头版头条以 “表象与真实” 为题发表社论,报道物理基本概念被推翻,文中写道:“人们相信,在通往构建宇宙的基本单元的统一理论的道路上,这件事(宇称不守恒的发现)移开了主要路障。也许,统一的理论还需要二十年的时间去完善,但是物理学家们现在有信心,他们认为终于在现在的 ‘宇宙丛林’ 中找到了一条出路。”

 

同一天的《纽约时报》,在第24版整版原文刊登了有关宇称不守恒发现的 “哥伦比亚物理实验报告”Columbia Report on Physics Experiments


(左)1957年1月16日 《纽约时报》头版报道宇称不守恒发现,(右)第24版全文刊登哥伦比亚物理实验报告

 

虽然接到邀请,但杨振宁没有出席1月15日在哥伦比亚大学召开的新闻发布会。

 

1957年1月30日,美国物理学会在纽约饭店举行年会。2月2日,星期六,会议在计划之外举行了一个专门会议:讨论宇称不守恒,物理学家们挤满了会议室,目睹历史时刻。吴健雄、杨振宁、莱德曼和特莱格迪作报告,介绍宇称不守恒的革命性理论和实验,奥本海默坐在第一排的听众中。

 

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证词:奥本海默 斯坦伯格 加温 莱德曼

 

加州大学伯克利研究生时代,吴健雄(右二)和奥本海默(右三)、塞格瑞(右四),好友玛桂特(右一)。

 

1957年10月,在诺贝尔物理学奖宣布授予李政道和杨振宁之后,奥本海默立即表示:宇称不守恒的发现中,三个人贡献最大,吴健雄的贡献不可忽略;

 

1958年,两位哥伦比亚大学物理学家教授、1955年诺贝尔物理学奖获得者,为吴健雄提名诺贝尔物理学奖;

 

1964年和1965年,吴健雄在加州大学伯克利分校的共同博士导师、诺贝尔获得者塞格雷,两次为她提名诺贝尔物理学奖;

 

1988年,吴健雄在哥伦比亚大学时代的同事斯坦伯格获得诺贝尔物理学奖后,在接受《科学》杂志采访时指出,她应该和李政道杨振宁共享诺贝尔物理学奖;

 

1997年,在1957年诺贝尔物理学奖四十周年际,吴健雄在哥伦比亚大学的同事加温和莱德曼格联名致信《自然》杂志,驳斥英国科学家所谓吴健雄被列为1957年证明宇称不守恒论文第一作者,是因为其合作者的骑士风度。作为当年宇称不守恒发现的直接参与者和见证人,他们说,吴健雄不仅提出了这个实验的概念和思想,而且首先领导完成了推翻宇称守恒的实验。

 

1957年10月31日 ,瑞典诺贝尔奖委员会宣布:授予杨振宁和李政道1957年度的诺贝尔物理学奖,表彰“他们对所谓宇称守恒定律的研究深刻,导致对基本粒子的重要发现。”  

 

根据江才健的《吴健雄传》,1957年10月底的一天,吴健雄在纽约州北部的一个大学讲课,突然有一个电话来找她。通报人说,这个电话是奥本海默博士打来的,他告诉传话者,他在电话上等,直到吴健雄讲完课了再来听电话。

 

奥本海默是吴健雄1936-1942年在加州大学伯克利分校做博士和博士后时的老师;1947年他出任普林斯顿高等研究所所长,在他任职期间,他邀请杨振宁和李政道到高等研究院工作。

 

在电话里,奥本海默告诉吴健雄:“Gee Gee,杨振宁和李政道得了今年的诺贝尔物理学奖。” Gee Gee 是1930年代吴健雄在加州伯克利读博士时,老师们和同事们对她的爱称。

            

根据江才健1990年1月对吴健雄的采访,1957年11月初,奥本海默在普林斯顿高等研究院图书馆举行了庆祝晚宴。奥本海默在晚宴开始时讲话表示,这次宇称不守恒的发现有三个人功劳最大,特别强调不可忽略吴健雄的贡献。奥本海默后来也指出:(当时)懂得如何做出宇称不守恒的β衰变效应实验的,只有吴健雄和她在加州大学伯克利分校的老师塞格瑞两人。不过,根据诺贝尔奖的档案,奥本海默至少在1965年之前,没有诺贝尔物理学奖的提名资格。

 

江才健在书还写道,杨振宁和李政道后来也都认为,吴健雄理应得到诺贝尔奖。杨振宁还告诉他,自己曾多次为吴健雄提名(由于杨振宁还在世,按规定他的提名记录还无法查阅)


学术界和物理学同事高度认可吴健雄在宇称不守恒发现中的贡献。1958年,她获得三项重要荣誉和肯定:第一、她当选美国科学院院士;第二、哥伦比亚大学晋升她为正教授,她是哥大物理系历史上第一位女性正教授;第三、她和杨振宁、李政道共同被授予普林斯顿大学荣誉博士学位,她也因此成为普林斯顿大学自1746年创建以来第一位女性荣誉博士获得者。

 

1976年,福特总统在白宫向吴健雄授予美国国家科学奖章。美国国家科学奖评委委员会指出:尽管吴健雄未能与李政道和杨振宁共同因此项工作而获得(1957年)诺贝尔奖,但国家科学奖委员会认可她的此项成就,1975年授予她国家科学奖章,表彰 “她天才般的实验导致对放射性衰变令人震惊的崭新认识”。

 

1978年,以色列沃尔夫奖基金会授予吴健雄首届沃尔夫物理学奖。    

 

11


“风到哪里去了?”


左:吴健雄幼年时和父亲吴仲裔、母亲樊复华(左)、哥哥吴健英(左二)合影

右:吴健雄年轻时代

 

居里夫人去世时,爱因斯坦曾写过这样一段话: 当这样一个伟人在她生命终了的时候,我们不要只记得她对人类工作上的贡献。比起她纯学识上的成功而言,她在道德上、人格上的崇高品质对将来、对历史的作用更为重要……她的力量,她的愿望的单纯……她的科学客观的认识,她的坚忍不拔,这些优秀品格每一样都难能可贵,而集中在一个人身上更是非常非常难得的……一旦她认定了一条路是正确的,她就坚决地走下去,决不改变。

我认为我们怀念吴健雄,把爱因斯坦称赞居里夫人的话用在她身上是再恰当不过了。

——李政道 1997.5.30


1997年2月16日,吴健雄因病去世,享年84岁。

 

当年4月6日傍晚,高能物理学家、85岁的袁家骝先生携带妻子吴健雄的骨灰盒,专程从纽约飞抵上海,再乘汽车到太仓市浏河镇明德学校,将吴健雄骨灰安放在她父亲创建的明德中学。离开家乡60余载的游子,落叶归根归故里。

 

1998年5月,由东南大学设计、世界建筑大师贝聿铭审定的吴健雄墓园建成。5月31日,在父亲袁家骝的陪伴下,吴健雄的儿子袁纬承手捧母亲的骨灰,将其安葬在吴健雄墓园里,埋骨乡梓。

 

吴健雄的一生,得到父母、亲人、朋友和同事们的挚爱;她一生追求卓越事业,同时拥有深受她的丈夫和儿子、媳妇和孙女。

 

吴健雄1912年5月31日出生于江苏省苏州市太仓的浏河镇,1929年,17岁的她从苏州中学毕业后,在父亲吴仲裔的鼓励下,到上海公学学习。1930入南京中央大学,1934年毕业于中央大学物理学,先后在浙江大学和上海中央研究院物理研究所工作,经导师顾静薇博士推荐,在叔叔吴靛之的资助下,1936年8月从上海启程,计划到美国密歇根大学学光谱学。船抵达旧金山后,她到加州大学伯克利分校看望朋友,遇见前三个星期前抵达的袁家骝。袁家骝带她参观大学放射性实验室的回旋加速器时,实验室主任、加速器发明者劳伦斯博士(Ernest Lawrence)对她说:“你对物理有兴趣,核物理刚刚开始,很有发展,而光谱学是一个比较古老的学科,前途不大,你应该留在伯克利。”

   
吴健雄卡通画,图源网络。


这成为吴健雄生命中的转折点,她放弃了去密歇根的火车票,留在了伯克利,成为劳伦斯的博士研究生。1940年获得博士学位后,她继续留在伯克利,做了两年博士后。1942年,她和袁家骝在加州理工学院院长密立根家中花园举行婚礼,为婚礼摄像的是加州理工学院的钱学森博士。


 
1942年5月30日,袁家骝吴健雄婚礼在加州理工学院院长密立根家中举行


结婚后,吴健雄在史密斯女子学院和普林斯顿大学教书。1944年3月,在导师劳伦斯推荐下,她到纽约哥伦比亚大学物理系,加入研制原子弹的  “曼哈顿工程”,在其中做出卓越贡献。1945年8月,战争结束后,她以研究员身份留在哥伦比亚大学;1952年晋升为副教授,1958年晋升为正教授。


 
1963年,台湾“中央研究院”海外院士合影,吴大猷(前排左一)、吴健雄(前排左三)、李政道(后排右三)


1948年,李政道在哥伦比亚大学第一次见到吴健雄。当年,22岁的李政道是芝加哥大学费米教授的理论物理研究生,他到纽约看望老师吴大猷先生。吴大猷当时在哥伦比亚大学物理系主任拉比的实验室访问,他向李政道介绍了吴健雄。

 

1997年5月30日,李政道在北京大学的 “吴健雄纪念会”上演讲,回忆吴健雄一生杰出贡献和两人长达半个多世纪的友谊。


 
20世纪70年代中期,李政道(左1)、塞格雷(E. Segre, 1959年诺贝尔物理学奖获得者, 左3)、瑟伯(R. Serber, 右2)和威克(G. C. Wick, 右1), 在吴健雄(左2)家聚会。来源:李政道演讲

 

1953年,李政道成为哥伦比亚大学助理教授;1955年,29岁的他成为哥伦比亚大学有史以来最年轻的正教授。但是,已经是β衰变领域权威的吴健雄,依然是副教授。李政道认为这是性别歧视。1956年,李政道在系教务会上提出:吴健雄应该升为正教授,却遇到一致反对。他说:“好,反对就反对,但请每一位说出反对的理由。大家不讲,会就不散。” 会议从两点开到五点多,库施(P.Kusch)教授开始表示赞成。最终,李政道的提案以记名投票方式通过,并向校方提交。

 

然而,在吴健雄做出著名的宇称不守恒实验证明后,哥伦比亚大学才在1958年晋升她为正教授。


 
1990年,美籍华裔领袖组织百人会创立初始成员:前排左起:贝聿铭 吴健雄 杨雪兰;后排左起:马友友、邓兆祥 唐骝千 图源:美籍华裔领袖组织百人会


1981年,吴健雄从哥伦比亚大学退休后,仍积极参加社会事务。1990年,她的老朋友、建筑大师贝聿铭在纽约创立 “百人会”,她作为创始成员参加。贝聿铭:传奇百年精英人生 缔造现代经典 )


2003年2月11日,袁家骝在北京协和医院逝世,享年91岁;2月19日,袁家骝告别仪式在北京八宝山举行。时任中国科学院高能物理研究所副所长张创研究员认为,将袁家骝夫妇评价为 “中国的居里夫妇” 更为恰当。(作为科学时报社时任记者,我参加了袁家骝先生的告别仪式,文章《不凡身世 科学一生——追忆美籍华裔高能物理学家袁家骝博士》发表在2003年8期的《科学新闻》上。)


2004年4月5日,袁纬承携妻子女儿,专程从美国回到浏河镇,将父亲的骨灰盒放入母亲的墓地,这对比翼双飞六十载的夫妇,化作永恒的连理枝。


吴健雄骨安葬于故乡苏州太仓济河镇的明德中学的紫藤阁旁。吴健雄墓园的主体呈圆形,由黑花岗岩铺设而成。圆柱体的斜面上镌刻着中文和英文的墓志铭。水池中间有两个直径60厘米的石球,每个球重300千克,用蓝珍珠花岗岩制成,接通电源,石球会随着水流分别顺向和逆向缓缓转动,球顶上分别喷出高低不同的水柱。这一设计思想由李政道提出。

 

李政道为吴健雄题写墓志铭:

 

“按宇称守恒定律,凡是两个左右完全对称系统的演变应该是永远左右对称的,这似乎极合理的定律于一九五七年正月被吴教授钴核子衰变实验推翻了。这个建筑中两石球象征两个左右对称的钴核子,而其衰变产生的电子分布由水流代表,它们是不对称的。谨以此纪念吴健雄划时代的重大科学贡献。” 

 参考文献

[1]李政道: 吴健雄和宇称不守恒实验  2015.12.09. 赛先生
[2]江才健 著 《物理科学的第一夫人》 复旦大学出版社 1997.3
[3]季承 柳怀祖 滕丽 编 《宇称不守恒发现之争论解谜 – 李政道答《科学时报》记者杨虚杰问及有关资料》 2003.4
[4]江才健 著 《规范与对称之美——杨振宁 传》 台湾天下远见出版股分有限公司 2002.10
[5]《杨振宁文集 传记 演讲 随笔》 华东师范大学出版社 1998.4
[6]National Medal of Scienct  Chien-Shiung Wu (1912-1997)  https://www.nsf.gov/news/special_reports/medalofscience50/wu.jsp
[7]Massive Science: Meet Chien-Shiung Wu, the nuclear physicist who developed revolutionary experiments
https://massivesci.com/articles/chien-shiung-wu-manhattan-project-nuclear-physics-nobel-prize/
results.
[8]National Woment's Hall of Fame Chien-Shiung Wu:
https://www.womenofthehall.org/inductee/chienshiung-wu/
[9]科学春秋:李政道杨振宁遭遇冷处理:60年前中国人第一次获诺奖 
https://mp.weixin.qq.com/s/E4kKXPTQFS7GrDfxpV8Bqw 1/35  
[10]Oral History Program Ernest Amber interview Karma Beal  July 7, 1988
[11]Thirty Years Since Parity Nonconservation  ----  A Symposium for T.D.Lee  Edited by Robert Novick    Boston: Basel: Birkhauser 1988
[12]Magdolna Hargittai: Credit where credit’s due?  13 Sep 2012  Physics World
[13]Chen-Ning Yang:  Weighing in on Wu’s legacy    Dec 2012  Physics World
[14]CNN:Postal service honors Japanese American vets and a Chinese American scientist with new stamps https://www.cnn.com/2020/12/08/us/postal-service-asian-american-stamps-trnd/index.html
[15]1. National news Nov. 17, 2020  Hello, 2021
[16]U.S. Postal Service Announces Upcoming
Stampshttps://about.usps.com/newsroom/national-releases/2020/1117-usps-announces-upcoming-stamps.htm
[17]Physics: CHIEN-SHIUNG WU FEATURED ON USPS FOREVER STAMP
[18]USPS: National News: Nuclear Physicist Chien-Shiung Wu to be Honored on a U.S. Postal Service Commemorative Forever Stamphttps://about.usps.com/newsroom/national-releases/2021/0201ma-nuclear-physicist-chien-shiung-wu-to-be-honored-on-forever-stamp.htm
[19]USPS: Chien-Shiung Wu Commemorative Forever® Stamp https://about.usps.com/newsroom/events/chien-shiung-wu-commemorative-forever-stamp-ceremony.htm

制版编辑 卢卡斯





END




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