核物理学家吴健雄诞辰110周年：曾实验证实宇称不守恒定律

2022年5月31日，是世界著名核物理学家、“东方居里夫人”吴健雄诞辰110周年。

吴健雄（1912.5.31-1997.2.16）

吴健雄(1912-1997)先生生于江苏省苏州太仓，是美籍华裔核物理学家、美国科学院院士、中科院外籍院士。作为20世纪世界杰出实验物理学家之一，她在β衰变研究领域具有世界级贡献，被誉为“东方居里夫人”、“核物理女王”、“物理学第一夫人”。
β衰变指原子核自发地放射出β粒子或俘获一个轨道电子而发生的转变，是放射性衰变的三种主要方式(α、β、γ)之一，是一种弱相互作用的现象，弱相互作用力也是使太阳发光的基本动力。
2021年2月11日，即国际科学女性日，吴健雄与爱因斯坦、费米、费曼等物理学家享有同等殊荣，登上美国邮政局发行的永久性纪念邮票。该邮票以纪念这位20世纪最有影响力的核物理学家之一。1956年，正是吴健雄用实验证明了宇称不守恒定律。

图片来自美国邮政局

踏上核物理研究之路
“东方居里夫人”出生于书香门第。其父亲吴中毅开办了一间学校，十分重视子女教育。他反对彼时社会轻视妇女的习俗，崇尚男女平等，认为女孩子享有受教育的权利。因此吴健雄从小就受到良好教育和文化培养。
1929年，吴健雄考取南京中央大学数学系，一年后转入物理系，攻读物理专业。毕业后她在中央研究院工作一年，并于1936年赴美留学。
吴健雄孙女JadaYuan在2021年刊登于《华盛顿邮报》的回忆文章中，曾提及这段远洋留学经历：“我祖母走下了那艘远洋轮时，原来打算到密歇根大学攻读博士学位，但是在访问了加州大学伯克利分校后改变了主意，决定在那里注册就读。因为她吃惊地得知密歇根大学的学生会是不允许女性从前门进入的。而且带领她参观伯克利的向导是另一个中国的物理学研究生袁家骝，人们通常称他为卢克（Luke）。”（译自华新民）
在加州大学伯克利分校参观了劳伦斯刚发明的回旋加速器，加上受到劳伦斯影响，吴健雄最终选择在伯克利深造，师从著名核物理学家、诺贝尔物理奖获得者埃米里奥·赛格雷教授。

吴健雄在哥伦比亚大学实验室的机械设备旁留影，MannyWarman摄，哥伦比亚大学图书馆珍本和手稿收藏馆大学档案室藏

吴健雄在1940年获得物理学博士学位后，曾在史密斯学院和普林斯顿大学工作，1942年与物理学家袁家骝(LukeYuan)结婚。两年后她参加哥伦比亚大学的曼哈顿计划。吴健雄在其中的研究包括：改进盖革计数器，以检测和测量核辐射水平和大量富集铀；帮助开发通过气体扩散法，将铀金属分离成铀-235和铀-238同位素的工艺。
从β衰变到宇称不守恒
第二次世界大战后，吴健雄在哥伦比亚大学开始研究衰变，即放射性元素放射出粒子而转变为另一种元素的过程。她所做出的重要物理贡献中，最广为人知的是首次证实了恩里科·费米(EnricoFermi)的β衰变理论。
据美国原子遗产基金会，理论物理学家杨振宁和李政道了解到吴健雄对于β衰变方面的专业研究，于1956年找到了她。二人请吴健雄设计一个实验，来证明他们早先提出的在弱作用下宇称不守恒的理论。在量子力学里，宇称是表征微观粒子运动特性的物理量。宇称守恒定律是关于微观粒子体系的运动或变化规律具有左右对称性的定律。

1960年代初的理论物理学家杨振宁（左2）、李政道（左1）和实验物理学家吴健雄（右）

1956年底，吴健雄的实验在接近绝对零度（0K，约为-273.15℃）的温度下使用放射性同位素钴-60，证明了相同的核粒子并不总是表现相同。宇称不守恒定律是指在弱相互作用中，互为镜像的物质的运动不对称。
在1956年前，科学界普遍认为宇称守恒，即一个粒子的镜像与其本身性质完全相同。1956年，科学家发现θ和τ两种介子的自旋、质量、寿命、电荷等完全相同，多数科学家认为二者是同一种粒子，但θ介子衰变时产生两个π介子，τ子衰变时产生3个，又不完全相同。
杨振宁和李政道在深入研究后，提出τ和θ是完全相同的同一种粒子(后称为K介子)，但在弱相互作用的环境中，二者的运动规律却不一定完全相同，即“θ-τ”粒子在弱相互作用下是宇称不守恒的。
正是由于在弱作用下宇称不守恒的理论被吴健雄实验证实后，杨振宁、李政道二人获得了1957年的诺贝尔物理学奖。但吴健雄不在获奖名单中，因而受到物理界广泛关注，许多人深感不平。有一种解释是诺贝尔奖只限三人，而参加吴健雄实验的还有美国国家标准局低温组的其他三个人，因此不好平衡。但大多数人并不赞成这一说法。后来，有包括李政道在内的多名诺奖得主曾为吴健雄提名诺贝尔物理学奖，但始终未能成功。

吴健雄和她的同事们，包括后来的诺贝尔奖得主李政道（右），1957年1月15日在哥伦比亚大学举行新闻发布会，公布他们的开创性发现，哥伦比亚大学图书馆珍本和手稿收藏馆大学档案室藏

1957年宇称不守恒的发现，是理论物理学家和实验物理学家共同努力的成就。李政道说，解决对称破坏的这一问题的最后推动力，几乎完全来自实验方面。他评价吴健雄是20世纪最杰出的物理学家之一，在实验物理学研究上取得了伟大成就，对当代物理学发展起到了极重要的推动作用。
“东方居里夫人”无缘诺奖
对此，吴健雄孙女Yuan曾在前述回忆文章里写道，在吴健雄实验成功后，“李政道与一群哥伦比亚的科学家分享了这个消息，尽管我的祖母曾要求他不要这样做，暂时不要。这一点很重要，因为它直接影响到她这项发现的功劳归谁的问题。由利昂·莱德曼(LeonLederman)领导的另一组哥伦比亚科学家正在做另一个实验，莱德曼意识到自己的试验稍加修改也可以测试宇称的不守恒。他们在四天之内确认了我祖母的结果。消息传播开来。我的祖母感受到了赶在莱德曼之前发表论文的强大压力，同时反复检查她的结果。在物理学中，谁首先提交和发表研究结果，荣誉就归谁。”
最终，“莱德曼在李政道的要求下暂缓提交论文；如果他们不是哥伦比亚大学的同事，这样的善意不太可能发生。”两篇论文都发表在1957年1月15日的《物理评论》。“莱德曼的论文承认他是在听说我祖母的结果后才开始实验的。”

吴健雄等人论文《在β衰变中检验宇称守恒》发表于《物理评论》

Yuan表示，“但从某种意义上说，损害已经不可挽回。那年下半年，诺贝尔奖委员会拒绝把奖金授予任何实验方面的人士；杨振宁和李政道因理论工作而获奖。”Yuan认为其中可能也存在着性别歧视，“120年来，只有四位女性获得了诺贝尔物理学奖。”
吴健雄对此未公开表露意见。不过她在1989年的一封信中写道：“我的一生全然投身于弱相互作用方面的研究，也乐在其中。尽管我从来没有为得奖去做研究工作，但是，当我的工作因某种原因而被人忽视，依然是深深地伤害了我。”
吴健雄虽未获诺贝尔奖，但她在实验物理方面的杰出贡献被国际物理界所认可。她在宇称不守恒发现中领导的实验被称为“吴实验”(Wuexperiment)，并因此荣获1975年度美国国家科学奖。这是由美国总统授予曾在行为与社会科学、生物学、化学、工程学、数学及物理学领域作出重要贡献的美国科学家，相当于中国的国家最高科学技术奖。她还因此荣获1978年首届沃尔夫物理学奖。沃尔夫奖(WolfPrize)由R.沃尔夫(RicardoWolf)及其家族成立的沃尔夫基金会于1976年设立，其宗旨是促进全世界科学、艺术发展。
吴健雄还获得诸多重要奖项和其它领域成就。1958年，她的研究帮助解决有关血液和镰状细胞贫血的重要生物学问题。她也是第一位担任美国物理学会主席的女性，获得过美国国家科学院在物理领域设立的ComstockPrize，以及普林斯顿大学第一个授予女性的荣誉博士学位。1994年她当选中国科学院首批外籍院士。
心系祖国，推动高能物理实验基地
1973年10月，吴健雄、袁家骝二人回到中国，受到周总理接见。周总理请二人帮助分析云南站发现的宇宙线事例，并对中国科学院高能物理研究所所长张文裕先生说:“一定要尽快把高能加速器预制方案搞出来”。此后，她和袁家骝多次回国访问、讲学，包括中国科学院、下属研究所和高校。他们曾多次访问中国科学院高能物理研究所，参观北京正负电子对撞机和北京谱仪。
夫妇二人不仅为国内科学教育如何发展，如何培养人才提出许多中肯建议，还阐述过要重视基础科学，在中国建立高能物理实验基地的建议。
1977年，吴健雄、袁家骝和李政道一起写信给张文裕先生，提出中国高能加速器建造应选择省钱，有丰富物理目标的方案。1981年初，由于国民经济调整，八七工程，即40GeV（十亿电子伏特）的高能质子加速器建设下马，吴健雄夫妇听说后非常着急，与李政道商议如何推动中国的高能物理实验基地。

朱洪元(右3)，谢家麟(右1)，吴健雄(右2)，威尔逊(右4)等在美国讨论中国高能加速器方案，图片来自中国科学院高能物理研究所

不久，高能所的朱洪元、谢家麟到美国与李政道、潘诺夫斯基、吴健雄、袁家骝以及美国几个高能物理实验室专家，开会讨论中国高能物理的前景。会后一致同意在中国建造2×2.2GeV正负电子对撞机是最好的方案，造价只有八七工程的三分之一，且物理窗口内容丰富，又可以做同步辐射应用研究，能达到一机两用的效果。最后经过多方努力，特别是李政道和邓小平、方毅的频繁沟通，该方案获得批准。
据中国科学院高能物理研究所郑志鹏回忆，在此后的访问中，吴健雄向中科院高能物理研究所多个研究人员关心设备和实验进展，包括北京正负电子对撞机工程(BEPC)、谱仪和τ轻子质量测量实验等。

北京正负电子对撞机工程(BEPC)

当郑志鹏及同事请吴健雄在一张绘有BEPC上τ轻子质量精确测量结果的纪念封上签字时，她兴奋地说：“我的两个梦想现在都变成了现实，一个是中国人在自己的加速器和谱仪上做出了世界级的物理成果；另一个是海峡两岸的中国科学家在自己的国家里欢聚在一起……”