《奧本海默》中沒有她，但物理界不能沒有她_風聞

原創：中科院物理所

請想象一下：

在20世紀中期，核物理領域內一系列重大發現井噴式出現，全世界的科學家們拼了命地擠進已經沒有座位的演講廳中，甚至爬上柱子只為了看清黑板上的方程式。

在這樣的場合中心，卻站着一個穿旗袍的中國女子。

She is the “First Lady of Physics”, the “Chinese Madame Curie” and the “Queen of Nuclear Research” .

她是，吳健雄。

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《奧本海默》中沒有提及的她

有人説《奧本海默》中沒有出現吳健雄，是因為她和奧本海默不熟。

實則不然。奧本海默親切得喊她“JieJie”，認為她是beta衰變研究的權威，她則喊奧本海默Oppie。

1944年，吳健雄參與了曼哈頓計劃：研發鈾濃縮方法增加燃料供應。當時剛剛開始運行的位於漢福德區的生產鈈-239的B反應堆經常停堆終止反應，吳健雄根據大量實驗數據確認是核裂變產物之一的氙-135在反應器內大量吸收中子，使連鎖反應缺乏足夠中子而停止。

至於是不是因為和主劇情無關，所以影片中沒有出現吳健雄，我們暫且不論。

我們想説的，是以她名字命名的“吳氏實驗”，該實驗證明了楊振寧和李政道提出的理論：弱相互作用中宇稱不守恆，楊振寧和李政道也因此在1957年獲得了諾貝爾物理學獎。

當你逐漸瞭解這個實驗，你會感受到你彷彿在和當年的吳健雄對話，你能清晰得感知到她的堅韌、智慧和勇氣。

即便在那個大神雲集的年代，她也，熠熠生輝。

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什麼是宇稱不守恆？

為了能夠理解吳健雄的實驗，我們首先需要解決的問題是：什麼是宇稱？

在理解物理學中的宇稱之前，我們必須首先理解物理學中對稱和守恆定律的概念。數學中的對稱，我們都很熟悉。如果把正方形沿對稱軸轉90度，它和原圖重合，在物理學中，對稱的含義其實差不多。

現在，我們做一個並不是很嚴謹的假設：

將2ml的白酒滴入一杯咖啡中，觀察白酒在咖啡中完全擴散所需時間。

在理想狀態下，所有條件不變，你只是將杯子從桌子右上角挪到桌子右下角，白酒擴散所需時間不變。這就是平移對稱性，即物理定律不隨着空間中的位置而變化，對應了動量守恆。此外，今天滴白酒，明天滴白酒，也都不會影響擴散時間，這就是時間對稱性，對應了能量守恆。最後，你把杯子轉90度再滴白酒，擴散時間也不受影響，這就是旋轉對稱性，對應角動量守恆。

對稱性，對於物理研究而言，到底有多重要呢？

試想一下，如果我們把咖啡杯分別放在桌子的兩個位置上觀察，卻總結出兩個擴散定律….

那物理學可就真不存在了。

那麼，宇稱守恆到底是指什麼呢？

其實真的不難，只是“宇稱”這個詞容易讓我們發懵。

説白了，宇稱守恆，就是鏡子裏的世界，和真實的世界遵循着同樣的物理定律。數學上看，可以簡單理解成把座標x,y,z變換成-x,-y,-z，結果不變，那就是宇稱守恆。

現在，我們拿一面鏡子。**當我們把白酒滴入咖啡中後，鏡子裏面的擴散情況會如何？**除了左右顛倒以外，白酒在咖啡中描繪出的擴散花紋，一定是相同的，你甚至無法區分哪一杯是真實的白酒咖啡，哪一杯又是鏡中的。

直覺上而言，鏡子裏的世界和鏡子外的世界，確實就應該只是左右互換而已。

難道上帝真的會更加偏愛左邊或者右邊嗎？這一直被物理學界奉為基本定律之一，直到…吳健雄用實驗證明了，上帝真的有偏愛性。

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τ-θ 謎題

在20世紀四五十年代，存在着一個“τ-θ puzzle”：

τ和θ粒子有着完全一樣的電荷、自旋和質量，無論怎麼看都像是同一種粒子；但θ卻衰變成兩個π介子，τ衰變成三個π介子，如果衰變前後宇稱守恆的話，那麼θ的宇稱應該是+1，τ的宇稱應該是-1，那τ和θ就只能是兩種粒子。但如果宇稱不守恆，τ和θ就可以是同一種粒子。

如果宇稱守恆，τ和θ宇稱的計算方式

到了1956年，τ-θ謎題已經成為科學家們在各種會議上必定討論的重大難題。這時，楊振寧和李政道提出弱相互作用下宇稱不守恆，認為τ和θ是同一種粒子的兩種不同衰變方式。由於這個設想打破了我們一直堅信的對稱性定律，幾乎遭到了所有著名物理學家的一致質疑。

在那個時候，物理學屆之間有一種説法，如果吳健雄做了一個實驗，它一定是正確的。因此，楊振寧和李政道向吳健雄求助。

吳建雄給了他們一本書，這裏麪包含了過去40年來所有β衰變實驗的結果。結果發現，沒有任何實驗結果能夠證明宇稱是否守恆。

著名的吳氏實驗，就在這樣的緊急關頭，誕生了。

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吳氏實驗理論基礎

首先，既然要驗證宇稱是否守恆，但肯定得先定義出“左”和“右”。

於是，我們將粒子簡化成一個在不斷自旋的運動小球，粒子的自旋方向這樣定義：右手手指沿着粒子自旋的方向（順時針或逆時針）纏繞，拇指的指向就是自旋方向。接着，把自旋方向與行進方向相同的粒子稱為右手粒子，把自旋方向與行進方向相反的粒子稱為左手粒子。

吳健雄選擇了具有放射性的鈷-60樣品進行該實驗，這是一種會發生β衰變的同位素，而β衰變涉及的正是弱相互作用，這也正是吳健雄所擅長研究的領域。

如果弱相互作用是宇稱守恆的，那麼，鈷-60原子核衰變就應該在“真實”世界和“鏡像”世界中產生相同的結果。但事實卻令人震驚：電子更傾向於朝着與原子核自旋方向相反的方向發射。

結合這張圖，我們可以簡單地這樣理解：

簡單示意圖

在真實世界中，有一個自旋向上的鈷-60原子核，經過衰變後，釋放出的電子向下飛去。由於自旋方向和鈷-60原子核一致，所以這是個左手電子。在鏡像世界中，經過鏡像變換，自旋由逆時針變成了順時針，鈷-60原子核變成了自旋向下。如果宇稱守恆，那左手電子就應該變成右手電子，釋放的電子也就應該還是向下飛。

但是，緊接着我們卻發現，電子在鏡像世界中向上飛走了！

也就是説，左手電子在經過鏡像變換以後，還是左手性，並沒有變成右手性。

這，就是宇稱不守恆。

所幸這只是發生在弱相互作用中，如果日常生活中也是宇稱不守恆…

你向上蹦躂一下，卻詭異得發現鏡子中的自己蹲了下去。

還是挺瘮人的。

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具體實驗內容

理論上而言，這個實驗貌似並不難，但實際上卻需要解決很多問題，例如：微觀粒子具有不確定性，我們不可能真的去觀測某一個鈷-60原子核發射出的電子，只能讓一堆鈷-60原子核衰變，以大量數據為基礎，去分析電子發射方向是否在統計學上有偏向性。

此外，為了儘量減小鈷原子的熱運動，採用了絕熱退磁的方法獲得接近絕對零度的超低温。她還將樣品置於勻強恆磁場中，以令原子核的自旋方向一致。這些在當時，都是最前沿的實驗手段。期間遇到的各種困難，可以想象。

現在，我們來看吳健雄在1957年發表的論文中給出的統計結果：

論文原圖

論文中提到，不對稱因子α的符號是負的，也就是説，電子的發射更傾向於在與原子核自旋相反的方向上。由於涉及到許多因素，當時很難對α進行準確的計算。

當v/c≈0.6時候，α大約是0.4。從觀測到的gamma射線各向異性數據可以計算出**<Iz>/I的值約為0.6。這兩個量給出了不對稱參數β(α=β**<Iz>/I)的下限大約等於0.7。

此外，觀察到的β不對稱性，不隨退磁場方向的反轉而改變符號，表明這現象是本徵的，並不是由樣品中的剩餘磁化引起的。

這就是歷史上首次，在實驗上證實：弱相互作用中宇稱不守恆。

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多像年輕的我啊

吳健雄曾經這樣説過：一個實驗物理學家聰明是重要的，但是不像理論物理學家聰明是最重要的；對一個實驗物理學家而言，最重要的是堅持、好的判斷力和一些運氣。

寥寥片語，卻道盡了她一生的準則。

在楊振寧和李政道提出宇稱不守恆理論後，費曼、泡利、朗道這些物理界大咖都認為這是瘋狂的想法，讓學生們不必浪費時間去做實驗。

就是在這樣的環境下，吳健雄卻表示願意全力支持楊振寧和李政道，立刻取消了一切會議和旅行，一頭扎進實驗室，甚至攜帶着實驗設備前往專精氣體液化的國家標準局總部進行實驗，只為了儘快得到可靠的實驗結果。

吳健雄的孫女回憶説，吳健雄在晚年的時候，很喜歡坐在套着褪色黃燈絨芯的扶手椅上，望向窗外的校園，讚歎那些在打籃球的女生們。

她説：看她們，多麼強壯，多麼快啊。看她們，做事多麼努力。

那句未説出口的話，大概是：

看她們，多像年輕時候的我啊。

參考文獻：

[1]Wu C S, Ambler E, Hayward R W, et al. Experimental Test of Parity Conservation in Beta Decay[J]. Phys. Rev., American Physical Society, 1957, 105(4): 1413–1415.

[2]Discovering Dr.Wu by Jada Yuan (https://www.washingtonpost.com/lifestyle/2021/12/13/chien-shiung-wu-biography-physics-grandmother/)