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邮票上的吴健雄与镜子中的物理学

发布日期:2021-08-11 18:52    点击次数:123

2021年2月11日,美国邮政局发行了纪念杰出华人物理学家吴健雄的永久性邮票。这一天是国际妇女与女童参与科学日(International Day of Women and Girls in Science),碰巧又是农历辛丑年的正月初一。吴健雄作为女性科学家的典范,获得了以特殊方式纪念和表彰的殊荣,这是全球华人的骄傲!在此用一篇科普小品来怀念这位卓越的实验物理学家。

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撰文 | 徐亦迅

本文将整合物理学科普与科学史两种视角,简要回顾1956年弱相互作用中宇称不守恒现象的发现,并探讨完成重要实验的吴健雄教授为何没被诺奖委员会所青睐。作为背景知识,我们需要介绍物理学中的一个基本概念:镜像对称(reflection symmetry)。

很多人在照镜子时都会产生一个疑问:为什么在镜中上下没有颠倒,而左右是颠倒的?其实所谓的“左右颠倒”只是一个幻像,因为左和右这两个方向是一个相对的概念,与照镜者的视角有关。如果单纯从镜外人的视角来看,左右并没有颠倒,只有从镜中人的视角反过来看,我们才觉得镜中的虚像出现了左右互换。三维空间的直角坐标中真正发生颠倒的只有图1中代表前后方向的绿色箭头,正对平面镜时的前后方向无疑在镜中是相反的。

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图1. 镜像对称丨来源:Youtube科普视频;Gardner, M. (1990) The New Ambidextrous Universe, Chapter 1: Mirrors

我们再回想一下三维矢量代数中定义两个矢量叉积的右手定则(图2),如果前后出现了反向,那么为了数学上的自洽,我们在镜中使用的其实是满足左手定则的直角坐标系。因此镜像中颠倒的并不是左右的方向,而是左手系和右手系这两个不同的三维直角坐标系发生了对换。

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图2. 矢量叉积的右手定则

著名科普作家Martin Gardner在The New Ambidextrous Universe一书中还给出了几个发人深思的例子。如果我们面对的是左右直角折叠的两面镜子(或者如图1右上,显示呈左右弧线的弯镜),那么哪怕从镜外人的视角看,镜内和镜外的左右手都没有颠倒。而如果我们面对上下直角折叠的两面镜子(或者如图1右下,显示呈上下弧线的弯镜),那么镜外人会惊讶地发现上下发生了颠倒。这可以进一步说明,所谓的“左右颠倒”和“上下不颠倒”都是人脑对眼中图像的再解释。

1956年,物理学家李政道和杨振宁对困扰当时高能粒子物理学界的“奇异粒子”现象产生了兴趣。这一现象也被称为“θ-τ之谜”,θ介子和τ介子明明具有相同的质量和半衰期,它们的衰变方式却不一样:

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李杨二人在研究过程中发现,想要判断θ和τ在本质上究竟是同一种还是不同的基本粒子,关键在于探究衰变这一弱相互作用现象是否也满足物理学界普遍认为是不证自明的宇称守恒定律(镜像对称)。

宇称守恒定律认为镜外和镜内所观测到物理学规律应该是完全相同的,而大量实验也证明引力场、电磁场以及强相互作用中宇称完全守恒。李杨二人在深入讨论时忽然意识到,到1956年为止,似乎还没有专门设计的实验用来验证弱相互作用下的宇称是否守恒。为了确认可能存在的宇称不守恒能否从已有的β衰变实验结果中推论而出,他们花了几周的时间进行了大量周密的理论计算,发现这些结果和宇称是否守恒没有一点关系。

李杨二人在1956年6月投稿的这篇经典论文还有一个独到之处:他们通过理论计算指出已有实验的局限性之后,还精心设计了两套新的弱相互作用实验方案,可以毫不含糊地验证宇称是否守恒。其中第一套方案的构思得益于两人与吴健雄教授的讨论,而吴教授在当时已是β衰变实验的权威学者之一。这个实验的关键是选用60Co这一放射性同位素,它是通过慢中子束轰击稳定同位素59Co而人工合成的:

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很多人对钴(Cobalt)这个过渡金属元素的唯一印象恐怕来自中学时代背诵元素周期表时的那句“铁钴镍铜锌”。60Co的原子核由27个质子和33个中子构成,它的半衰期是5.27年,容易通过两步β衰变而转化为镍原子核60Ni并同时释放出一个电子、一个反中微子和两种γ射线:

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一个60Co样品每秒钟可以释放出上万个电子,因此是极好的放射源。我们知道质子和中子都有一种最早在电子研究中发现的内蕴角动量:自旋(spin)。当有外加磁场时,量子化的自旋角动量就能通过磁矩这个物理量被实验者观测。对于宇称是否守恒的研究而言,我们需要在概念上区分真矢量(又名极矢量,polar vector或proper vector)与赝矢量 (又名轴矢量,axial vector或pseudovector),它们在镜像反射下具有截然不同的行为。

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图3. 真矢量与赝矢量在镜像反射下具有截然不同的行为丨来源:黄亦斌, 聂义友 (2007) 镜像对称性在电磁学中的应用,《大学物理》, 10: 24-30.

图3的下半部显示,类似矢径这样的真矢量(线速度、动量、电场强度……),其镜像中与镜面M平行的分量不变,而与镜面垂直的分量反向(参见图1中的绿色箭头);图3的上半部显示,类似角速度这样的赝矢量(角动量、磁场强度……),其镜像中与镜面M垂直的分量不变,而与镜面平行的分量则反向。如果想在直觉上快速理解赝矢量在镜中的平行分量为何要反向,我们可以回想一下图2中两个三维矢量的叉积。两个真矢量的叉积是一个赝矢量,而量子化的自旋角动量和经典力学中的角动量一样,都可视作是矢径与动量的叉积。对于一个叉积的镜像而言,镜外的右手定则到了镜内只有变成左手定则才能在数学和物理意义上自洽。左手和右手坐标系的不同导致了赝矢量与镜面平行的分量需要在镜中反向。

前文已经提到,60Co原子核在β衰变过程中会释放一个电子。注意,这并非来自核外电子层,而是原子核本身衰变的产物,故又称为β射线。如果我们能用低温物理学手段使得60Co核沿着外磁场方向极化(即样品中所有60Co核的自旋角动量指向一个方向),那么通过互为镜像的两套实验装置来测量β射线强度的各向异性角度分布,就能验证宇称是否守恒 (图4和图5)。

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图4. 自旋角动量的赝矢量特性与吴健雄等人的60Co原子核β衰变实验基本思路。

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图5. 吴健雄等人检验宇称是否守恒的60Co原子核β衰变实验设计与结果解读

这个实验所需的温度低达0.003开尔文,实验者通过反转外加磁场的方向营造了一个“镜内世界”。注意,图5右边装置中,左旋螺线管的电流方向虽然与左侧右旋螺线管一样,但电流产生的磁场强度是赝矢量,“镜外”的右手定则在“镜内”需改为左手定则,因此磁场方向相反。我们在图4中把“镜外”向上的β射线强度记为I1, 向下的β射线强度记为I2;把“镜内”向上的β射线强度记为I1', 向下的β射线强度记为I2'。假设β衰变过程中宇称守恒(镜像对称性),那么我们预期的实验结果是:I1 = I1', I2 = I2'。另外早被多种实验证实的旋转对称性预期的实验结果是:I1 = I2', I2 = I1'。如果两种对称性都成立的话,实验将会同时观测到:I1 = I2,I1' = I2'。

吴健雄深知该实验将面临两大挑战:(1) β射线探测器在极低温的环境下如何保持功能正常?(2) 如何使一个非常薄的60Co核β放射源保持极化状态足够长的时间,从而得到足量的统计数据?吴教授本人并非低温物理学专家,而她所在的哥伦比亚大学低温物理设备水准又不够,于是决定和华府附近的国家标准局(NIST)的科学家安伯勒(Ernest Ambler)联系合作事宜。

1956年9月,吴健雄作客NIST正式开始了与安伯勒等四位低温物理学专家合作的实验。虽然双方由于性格与做事方式的差异而并不愉快,但是整个实验在排除了种种困难之后到了圣诞节前后已接近成功,令人惊喜地观测到了这样的结果:I2  >>  I1,I1'  >>  I2'。如果观测结果可以被核实,那么上文分析中的旋转对称性再次被实验证实,而宇称守恒就被实验结果推翻!

1957年1月4日,哥伦比亚大学物理系午餐聚会上,年轻的李政道并没有过分在意吴教授之前关于暂时不向外人透露的叮嘱,把实验接近成功的消息告诉了与会人士。在场的莱德曼教授 (Leon Lederman) 听后心想,如果弱相互作用下宇称真的不守恒,那么以他正在进行的一个加速器实验,加上一点运气,也许就能利用π和µ介子来完成李杨论文中设计的第二套实验方案。在IBM公司就职的实验物理高手加文 (Richard Garwin) 及时提供了巧妙的设计思路,莱德曼团队只用了四天时间就完成了实验,结果清晰地指向宇称不守恒,可谓后发先至。

不过莱德曼颇有科研道德操守,论文写完后等了吴健雄团队一个星期,最后两篇论文在1957年1月15日同一天寄到Physical Review杂志,不久后又同一天发表。这在很多人看来,显然是两个实验小组几乎打平的格局。吴教授在后来的新闻发布会上没有介绍NIST四位合作者的贡献,导致安伯勒的老师柯提 (Nicholas Kurti) 专门发文表达不满。按照诺贝尔奖委员会的工作流程,1957年度的各奖项提名截止日期是1月底。而吴健雄团队与莱德曼团队的两篇论文都是在2月15日才正式刊印,这就意味着吴教授没有可能在1957年就获得物理学奖的提名 (图6)。

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图6. 诺贝尔奖提名数据库中有关吴健雄被提名的完整记录

李杨二人首次被提名就在当年顺利获奖,这是诺奖历史上极为罕见的好运气。而吴教授从1958年开始的几年内先后被提名7次,莱德曼教授从1959年开始获得提名,两人最后都没能因为证明宇称不守恒的实验而获奖。莱德曼后来以发明中微子束的实验方法而获得了1988年度的物理学奖。虽然历史没有如果,但我们忍不住还想推断,倘若李杨需要等待一两年再获奖,那么就不能排除吴教授分享的可能性 (莱德曼的首次被提名较晚,与宇称不守恒实验有关的总提名次数也较少)。如今回看诺贝尔委员会的最终决定,与其简单贴上“性别歧视”的标签(明显的反例就是居里夫人第二次被委员会青睐时,是在1911年一人独得化学奖),不如说是前文讨论所揭示的历史偶然性。