郵票上的吳健雄與鏡子中的物理學_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2021-07-16 11:00
本文將整合物理學科普與科學史兩種視角，簡要回顧1956年弱相互作用中宇稱不守恆現象的發現，並探討完成重要實驗的吳健雄教授為何沒被諾獎委員會所青睞。作為背景知識，我們需要介紹物理學中的一個基本概念：鏡像對稱（reflection symmetry）。
很多人在照鏡子時都會產生一個疑問：為什麼在鏡中上下沒有顛倒，而左右是顛倒的？其實所謂的“左右顛倒”只是一個幻像，因為左和右這兩個方向是一個相對的概念，與照鏡者的視角有關。如果單純從鏡外人的視角來看，左右並沒有顛倒，只有從鏡中人的視角反過來看，我們才覺得鏡中的虛像出現了左右互換。三維空間的直角座標中真正發生顛倒的只有圖1中代表前後方向的綠色箭頭，正對平面鏡時的前後方向無疑在鏡中是相反的。
我們再回想一下三維矢量代數中定義兩個矢量叉積的右手定則（圖2），如果前後出現了反向，那麼為了數學上的自洽，我們在鏡中使用的其實是滿足左手定則的直角座標系。因此鏡像中顛倒的並不是左右的方向，而是左手系和右手系這兩個不同的三維直角座標系發生了對換。
著名科普作家Martin Gardner在The New Ambidextrous Universe一書中還給出了幾個發人深思的例子。如果我們面對的是左右直角摺疊的兩面鏡子（或者如圖1右上，顯示呈左右弧線的彎鏡），那麼哪怕從鏡外人的視角看，鏡內和鏡外的左右手都沒有顛倒。而如果我們面對上下直角摺疊的兩面鏡子（或者如圖1右下，顯示呈上下弧線的彎鏡），那麼鏡外人會驚訝地發現上下發生了顛倒。這可以進一步説明，所謂的“左右顛倒”和“上下不顛倒”都是人腦對眼中圖像的再解釋。
1956年，物理學家李政道和楊振寧對困擾當時高能粒子物理學界的“奇異粒子”現象產生了興趣。這一現象也被稱為“θ-τ之謎”，θ介子和τ介子明明具有相同的質量和半衰期，它們的衰變方式卻不一樣：
宇稱守恆定律認為鏡外和鏡內所觀測到物理學規律應該是完全相同的，而大量實驗也證明引力場、電磁場以及強相互作用中宇稱完全守恆。李楊二人在深入討論時忽然意識到，到1956年為止，似乎還沒有專門設計的實驗用來驗證弱相互作用下的宇稱是否守恆。為了確認可能存在的宇稱不守恆能否從已有的β衰變實驗結果中推論而出，他們花了幾周的時間進行了大量周密的理論計算，發現這些結果和宇稱是否守恆沒有一點關係。
圖3的下半部顯示，類似矢徑這樣的真矢量（線速度、動量、電場強度……），其鏡像中與鏡面M平行的分量不變，而與鏡面垂直的分量反向（參見圖1中的綠色箭頭）；圖3的上半部顯示，類似角速度這樣的贗矢量（角動量、磁場強度……），其鏡像中與鏡面M垂直的分量不變，而與鏡面平行的分量則反向。如果想在直覺上快速理解贗矢量在鏡中的平行分量為何要反向，我們可以回想一下圖2中兩個三維矢量的叉積。兩個真矢量的叉積是一個贗矢量，而量子化的自旋角動量和經典力學中的角動量一樣，都可視作是矢徑與動量的叉積。對於一個叉積的鏡像而言，鏡外的右手定則到了鏡內只有變成左手定則才能在數學和物理意義上自洽。左手和右手座標系的不同導致了贗矢量與鏡面平行的分量需要在鏡中反向。
不過萊德曼頗有科研道德操守，論文寫完後等了吳健雄團隊一個星期，最後兩篇論文在1957年1月15日同一天寄到Physical Review雜誌，不久後又同一天發表。這在很多人看來，顯然是兩個實驗小組幾乎打平的格局。吳教授在後來的新聞發佈會上沒有介紹NIST四位合作者的貢獻，導致安伯勒的老師柯提 (Nicholas Kurti) 專門發文表達不滿。按照諾貝爾獎委員會的工作流程，1957年度的各獎項提名截止日期是1月底。而吳健雄團隊與萊德曼團隊的兩篇論文都是在2月15日才正式刊印，這就意味着吳教授沒有可能在1957年就獲得物理學獎的提名 (圖6)。
李楊二人首次被提名就在當年順利獲獎，這是諾獎歷史上極為罕見的好運氣。而吳教授從1958年開始的幾年內先後被提名7次，萊德曼教授從1959年開始獲得提名，兩人最後都沒能因為證明宇稱不守恆的實驗而獲獎。萊德曼後來以發明中微子束的實驗方法而獲得了1988年度的物理學獎。雖然歷史沒有如果，但我們忍不住還想推斷，倘若李楊需要等待一兩年再獲獎，那麼就不能排除吳教授分享的可能性 (萊德曼的首次被提名較晚，與宇稱不守恆實驗有關的總提名次數也較少)。如今回看諾貝爾委員會的最終決定，與其簡單貼上“性別歧視”的標籤（明顯的反例就是居里夫人第二次被委員會青睞時，是在1911年一人獨得化學獎），不如説是前文討論所揭示的歷史偶然性。
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江才健 (1997) 《吳健雄：物理科學的第一夫人》，復旦大學出版社