2022年诺贝尔物理学奖颁给了为量⼦纠缠提供实验证据的三位物理学家,但颁奖仪式并未提及历史上⾸次观察到光⼦纠缠现象的吴健雄-萨克诺夫实验。这并不是吴健雄第⼀次被忽视。1957年她⽤实验证实了弱相互作⽤下宇称不守恒,但同年颁布的诺奖也没有她的姓名。纵观“消失”的⼥性物理学家,吴健雄⼀直被反复提及,因为她⾮凡的⼯作总会跨越时间显⽰她的重要性。
1949年11⽉,吴健雄和她的研究⽣欧⽂·萨克诺夫在美国哥伦⽐亚⼤学普平⼤楼的地下室内开展了光⼦测量实验。这个实验需要借助回旋加速器来产⽣反物质(正电⼦)。整个实验设备重达数吨,体积极为庞⼤。回旋加速器可以将粒⼦加速到⾮常⾼的能量。在地下实验室中,吴健雄和萨克诺夫⽤加速的氘核轰击铜箔来产⽣不稳定核铜-64。铜-64可发⽣β+衰变产⽣正电⼦(电⼦的反物质),因此可以作为正电⼦源。
电⼦和正电⼦碰撞后会快速湮灭,产⽣⼀对运动⽅向相反的γ(伽马)光⼦。其实,物理学家约翰·惠勒在⼏年前就曾预测,物质和反物质湮灭时发射的运动⽅向相反的两个光⼦,它们的极化⽅向是相互正交的。⽽吴健雄和萨克诺夫当时就是在为惠勒提出的“对理论”寻找关键性实验证据。
在实验中,吴健雄和萨克诺夫将铜-64核素装⼊⼀个8毫⽶长的微腔内,然后⽤两套由光电倍增管、蒽晶体闪烁体组成的探测器系统,测量正负电⼦湮灭后在实验装置两端发射的γ光⼦。最终,他们得到的数据量相⽐此前⼏个实验团队要多得多,⽽他们观察到的结果也⼗分令⼈信服。实验表明,正反物质湮灭发射的光⼦对的极化⽅向始终成⼀定的⾓度,似乎它们以某种⽅式关联在⼀起,即使相隔较远的距离也是如此。
这⼀实验最终验证了惠勒的“对理论”。1950年元旦,吴健雄和萨克诺夫将他们的实验结果以⼀页篇幅的快报形式发表在《物理评论》上。这篇⽂章后来也被认为是⾸次观测到量⼦纠缠现象的实验证据。
1978年,物理学家吴健雄在美国哥伦⽐亚⼤学的实验室。2022年诺贝尔物理学奖颁发给了三位物理学家:约翰·克劳泽,阿兰·阿斯佩以及安东·蔡林格,以表彰他们利⽤纠缠光⼦实验证伪了贝尔不等式,开创了量⼦信息学。
尽管吴健雄1949年的实验并没有试图去排除其他可能的解释,但历史学家认为,正是在她的实验中,⼈们第⼀次观察到了纠缠的光⼦对。然⽽,2022年的诺贝尔奖颁奖仪式并没有提及1997年逝世的吴健雄。⽽这当然也不是她的⼯作第⼀次被忽视。
1912年,吴健雄出⽣在中国长江流域的⼀个⼩镇上。她的⽗亲吴仲裔是⼀位思想开明的知识分⼦、⾰命家,提倡男⼥平等。
1912年春天,吴仲裔举办了⼀个聚会来庆祝爱⼥的诞⽣,并宣布要创办当地第⼀所⼥⼦⼩学。在那个时代,⼤多数⼥性的名字都偏向柔美、清雅或芬芳等意象,吴仲裔却为他的⼥⼉取名“健雄”。吴健雄在新⽂化运动的时代湍流中长⼤。1936年,24岁的吴健雄登上了开往美国加利福尼亚州的胡佛总统号轮船,准备前往海外攻读物理学博⼠学位。
这之后,她将在埃⽶利奥·塞格雷、欧内斯特·劳伦斯和罗伯特·奥本海默等物理学家的指导下继续学习。
吴健雄很快成为美国加利福尼亚⼤学伯克利分校⼀位优秀的学⽣。她博⼠论⽂⼯作的⼀部分是关于铀核的裂变。由于她研究的内容在当时⾼度敏感,这项⼯作直到第⼆次世界⼤战结束后才被解密。然⽽,即便当时她已经有重要的研究成果,毕业后仍旧很难找到⼯作。两年的时间⾥,她都在导师的课题组⾥做博⼠后研究员。
事实上,当时全美国排名前20的研究型⼤学中,没有⼀所⼤学的物理系有⼥性教职⼯。性别偏见并不是吴健雄学术⽣涯中唯⼀的障碍。在她来到美国⼀年后,⼆战愈演愈烈,中美之间的联络中断,美国西海岸地区针对亚洲移民的种族歧视也随之加剧。
1956年,吴健雄在哥伦⽐亚⼤学的同事李政道找她咨询问题。他和他的合作者杨振宁想知道,宇宙中是否存在⼀些基本粒⼦可能会违反宇称守恒定律。
对此,吴健雄和李政道讨论了⼀系列相关的研究,并提出了可能检验这⼀问题的实验⽅法。然⽽,杨振宁和李政道都是理论物理学家,不可能⾃⼰去开展实验。半个世纪后,在西蒙斯基⾦会举办的⼀次座谈会中,杨振宁提到他和李政道当时都不太相信他们提出的假说——弱相互作⽤中宇称不守恒——能很快被实验证明。在发现宇称不守恒之前的⼏⼗年⾥,物理学家普遍认为对称是⾃然界的基本规律。
但杨振宁和李政道关于宇称不守恒的假说指出,β衰变中原⼦核发射β粒⼦的⾏为在镜像变换下并不会完全保持不变。显然,这个想法与传统的科学观念或常识相悖。
吴健雄和她的⽗亲⼀样敢于挑战。她意识到这个问题的重要性,⽽且她知道如何验证它。为了验证李政道和杨振宁的假说,她放弃了原本定好的回国⾏程,马上着⼿设计和准备实验。
吴健雄设计的实验需要利⽤绝热去磁⽅法将放射性核钴-60冷却到接近绝对零度,并通过磁场使原⼦核极化。她需要研究β衰变中是否会以完全对称的模式发射β粒⼦——也就是像物理学界公认的那样,还是说发射的β粒⼦在⼀个⽅向上会⽐另⼀个⽅向多。1957年1⽉,在与杨振宁和李政道的紧密沟通中,吴健雄和她在美国国家标准实验室的合作者获得了惊⼈的发现。出乎⼤家的意料,β衰变的粒⼦在其中⼀个⽅向上发射的更多。
这个消息⼀经宣布,杨振宁、李政道和吴健雄以及其他后续开展验证实验的物理学家开始频繁受邀在全美参加会议,他们的名字和照⽚在⼤众媒体上被⼴泛地报道。那⼀年,美国物理学会在纽约酒店举办会议时,他们在⼀个巨⼤的会议厅⾥介绍了他们的实验成果。
同年10⽉,杨振宁和李政道成为了历史上第⼀次获得诺贝尔奖的两位华⼈。根据诺贝尔奖评选规则,每个奖项每年可以允许有三名获奖者,然⽽吴健雄并没有共同获奖。
吴健雄实验结果推翻的物理定律被称作对称定律(宇称守恒定律)再恰当不过了,但1957年的诺贝尔物理学奖却并不“对称”。它就像⼀块棱镜,将个⼈⾝份元素像光谱⼀样区分开来,放⼤了性别对能否获奖的影响。诺贝尔物理学奖颁布的次年,哥伦⽐亚⼤学才将吴健雄提升为正教授。
在那年12⽉的诺贝尔奖颁奖典礼上,杨振宁指出了吴健雄实验的重要性,他在诺贝尔委员会以及与会嘉宾的⾯前直⾔道,宇称不守恒的发现离不开吴健雄团队的⼯作。李政道后来也极⼒争取,希望诺贝尔委员会肯定吴健雄的⼯作。奥本海默也公开表明,吴健雄应该共同分享1957年的诺贝尔物理学奖。塞格雷称,打破宇称守恒定律或许是“⼆战后物理学领域取得的最⼤突破”。
很多科学家也对此事表达了看法。
1991年,《哥德尔、埃舍尔、巴赫》的作者道格拉斯·霍夫施塔特联合了众多科学家⼀同写信给诺贝尔委员会,建议授予吴健雄诺贝尔物理学奖。2018年,数千名研究⼈员向欧洲核⼦研究中⼼递交了⼀封公开信,他们指出了当今物理学界存在的性别歧视问题,吴健雄的名字也被提及。公开信中提到:“到⽬前为⽌,⾄少有四位(吴健雄的名字出现在第⼀位)从事核物理学与粒⼦物理学研究的⼥性科学家深孚众望,却没有获得诺贝尔奖。
⽽她们的⼀些男性合作者却获得了诺贝尔奖的荣誉。”
在打破了宇称守恒定律后,吴健雄成为⾸位获得美国国家科学院颁发的科姆斯托克物理学奖的⼥性科学家、美国物理学会⾸位⼥性会长、⾸位沃尔夫物理学奖得主,也是⾸位在世时就有以她命名的⼩⾏星的科学家。她的学术成就为⼥性和有⾊⼈种科学家打开了西⽅国家⼤学教职的⼤门。2021年,美国邮政局发⾏了印有吴健雄肖像的永久性邮票。
今天,吴健雄验证宇称不守恒的实验被认为是粒⼦物理学“标准模型”道路上迈出的第⼀步,它也为理解宇宙中正反物质不对称分布等问题提供了可能的思路。然⽽,吴健雄早期关于量⼦纠缠的实验⼯作还是被掩埋在了故纸堆中。有时候,只有当我们去探索科学体系中的⼀部分时,我们才能了解到那些遥远的故事和羁绊。在2022年的诺贝尔物理学奖中,⼀系列相互关联却又在时间上相隔甚远的实验被重新发掘。
即使吴健雄已经不可能再获奖,她早期的研究也最终会为⼈所熟知,成为那段“纠缠”历史中的重要⼀环。这在⼀定程度上需要归功于席尔⽡等历史学家。这个社会也许更偏好英雄主义的叙事或是孤独天才的传奇,但⼀旦仔细观察就会发现,⾮凡的科学成就,就像纠缠本⾝⼀样,根本上来源于⼈与⼈之间的相互关联。