【元素家族——連載138】中國的居里夫人

來自專欄 元素家族——從化學元素看人類文明

1932年查德威克發現了中子，加上之前發現的質子和電子，似乎世界的實質已經很清楚了，堂堂元素周期表中100多種元素，都是由這三種基本粒子組成的。世界的物理圖景竟然如此簡潔，理論物理學家們似乎可以去阿爾卑斯山度假了。

沒想到從1937年開始，μ子、中微子、π介子各種奇異粒子接連在回旋加速器中被捕捉到。到了1950年代，發現基本粒子的種類竟然比化學元素的種類還多，物理學界從起初的興奮逐漸轉為迷茫，看起來，這些基本粒子仍然不是世界的本源，理論物理學家們終於又可以擼起袖子加油幹了。

【美國的費米粒子加速器。】

和門捷列夫整理元素周期表類似，理論物理學家們首先觀察各種基本粒子的性質，希望從中找出規律性的東西。1956年，物理學家首先發現θ子和τ子的自旋、質量、壽命、電荷等性質完全相同，讓人不得不懷疑這倆貨實際上是同一種粒子。但另一方面，θ子會衰變成兩個π介子，而τ子會衰變成三個π介子，這又如何解釋。

這種情況下，兩個在美國的中國小夥子楊振寧和李政道對此開展研究，他們提出：這兩種粒子實際就是一種，之所以衰變方式不一樣，是因為衰變的時候發生了弱相互作用，在微觀世界，弱相互作用的宇稱不守恆。

【年輕的楊振寧（右）和李政道（左）。】

宇稱？這是個什麼東東？

物理學家魏格納在1927年最早提出這個概念，英文叫做「Parity」，有對等之意，魏格納希望這個物理量表示空間反演的運算。翻譯到中文裡，因為「宇」本身就有空間的意思，宇稱就是空間對稱。

在描述物體的數學公式里，如果一個點的坐標為r，則經過空間反演變換之後，它的坐標變成-r。你可以這樣想像，宇稱這種空間反演變換就好像一面鏡子，變換之後得到的是自己的鏡像。稍有常識的人都知道，鏡子里的人跟自己不是完全一樣的，左右互換了。但鏡子里的人也必須遵守同樣的物理定律，我跳他也跳，我蹲他也蹲，不可能看到我在刷牙，而他卻在洗臉。這就是宇稱守恆！

【宇稱就是照鏡子。】

在楊振寧和李政道之前，包括魏格納在內，都認為宇稱守恆是不言自明的。是啊，誰也沒有一塊愛麗絲的鏡子，會在裡面看到一個完全不一樣的世界。大嘴巴泡利聽到楊和李的「宇稱不守恆」之後嗤之以鼻：「我就不相信上帝竟然會是一個左撇子。」

但楊和李要問：「你憑什麼認為這是對的？」這就是偉大的科學精神，質疑一切。

再完美的理論，最終都需要實驗來檢驗，何況楊和李提出的是「不完美」的理論？有能力檢驗這種超越時代命題的，唯有我「中國的居里夫人」：吳健雄！

【年輕的吳健雄。】

吳健雄，出生於江蘇太倉，父親非常開明，希望她巾幗不讓鬚眉，積健為雄，因而給她取了這個非常男性化的名字。她從小資慧聰穎，學習遊刃有餘，進入中央大學攻讀數學專業沒多久，被愛因斯坦、居里夫人等物理大牛所折服，改學物理。1936年，她來到美國伯克利大學，前後師從勞倫斯、奧本海默，並在二戰時期參與了曼哈頓計劃，鈾離心濃縮的方法就是她的團隊搞出來的。

在楊和李找到她的時候，吳健雄已經是研究弱相互作用β衰變的權威，她立馬意識到這是一個非常有價值的問題，值得研究。思來想去，她的目光落到了當時已經用於治療腫瘤的鈷60。

鈷60在自然界不存在，卻非常容易製取，用中子照射常見的鈷，就可以將鈷59變成鈷60。鈷60的半衰期是5年多，不長也不短，容易在實驗室里計量。

【在實驗室的吳健雄。】

鈷60的衰變有一些特別，它會衰變成鎳60，同時釋放出電子、反中微子和光子，當時還沒有探測中微子的手段，只能觀測另兩種粒子。釋放電子的過程是弱相互作用，而釋放光子的過程是電磁力作用，當時已知電磁力是遵守宇稱守恆的，所以釋放出來的光子可以作為很好的參照物。通過實驗去對比不同自旋的電子和光子的分布，如果在同樣自旋方向上的比例都一樣，則可得到結論，弱相互作用宇稱是守恆的，但如果有反例出現，楊振寧和李政道的假設就是對的。

【鈷60實驗的原理。】

想法是美好的，但是做起來又是多麼的艱難，好在吳健雄以細緻精密而著稱，她經常開發出別人意想不到而又聰明絕頂的實驗方法。

原子核的磁矩只有電子的幾千分之一，將不同自旋的鈷60原子核極化需要非常強的磁場，因此吳健雄團隊先用液氦將體系溫度冷卻到1.2K以下，將鈷60沉積在一塊順磁性的硝酸鎂鈰晶體上，再用泵將液氦抽低壓，這樣，體系溫度進一步冷卻到0.003K。鈷60在低壓下受到磁場的作用，被向上或向下引導出來。這時候再分別用計數器去檢測上下兩部分光子和電子，統計下來就可以得出想要的結果。

【吳健雄實驗的具體方法。】

結果很快出來了，吳健雄發現絕大多數電子的出射方向都和鈷-60原子核的自旋方向相反，在弱相互作用中，宇稱是不守恆的，上帝果然是一個「左撇子」。

當吳健雄的論文發表之後，第二天，《紐約時報》就以頭版報道了吳健雄實驗的結果。楊振寧李政道吳健雄這三個美籍華人的發現超越了整個物理學界，全人類對於宇宙的認識上升了一個新台階。

無數的吃瓜群眾表示懵逼：真的有這麼牛嗎？請看下集！

【左右手竟然不是對稱的。】

小測試：

1， 被譽為中國居里夫人的是？

A） 宋美齡

B） 屠呦呦

C） 吳健雄

D）林巧稚

2， 最早提出宇稱不守恆的是哪兩位華裔科學家？

A） 楊振寧

B） 李政道

C） 丁肇中

D）吳健雄