科普随笔(如何做科技小作品)创作2021-07-16 10: 00，回归园区
2021年2月11日，美国邮政署发行永久邮票，纪念杰出的中国物理学家吴健雄。这一天是国际科学妇女和女孩日，正好是农历新年第一个月的第一天。吴健雄作为女科学家的典范，以特殊的方式获得了被纪念和表彰的荣誉，这是全世界中国人的骄傲！在这里，我用一篇科普短文来缅怀这位杰出的实验物理学家。
作者|徐奕迅
本文将简要回顾1956年弱相互作用中宇称非守恒现象的发现，并结合科普和科学史的视角，讨论完成重要实验的吴健雄教授为何不受诺贝尔奖委员会青睐。作为背景知识，我们需要引入物理学中的一个基本概念:反射对称。
很多人在照镜子的时候会有一个疑问:为什么镜子里没有倒挂，而是左右颠倒？其实所谓的“左右反转”只是一种错觉，因为左右方向是一个相对的概念，与观看者的视角有关。如果仅仅从局外人的角度来看，左右不倒。仅从镜中人的角度，我们就能感觉到镜子里的虚像从左到右发生了变化。在三维空之间的直角坐标中，只有图1中代表前后方向的绿色箭头是真的反了，面对平面镜时，镜子中的前后方向无疑是相反的。
图1。镜像对称来源:Youtube科普视频；加德纳(1990)新的双手宇宙，第一章:镜子
让我们回忆一下右手定则，它定义了三维向量代数中两个向量的叉积(图2)。如果前后有反向，那么为了数学上的自洽，我们实际上使用的是符合镜像中左手定则的直角坐标系。因此，镜像中反转的不是左右方向，而是两个不同的三维直角坐标系，即左手坐标系和右手坐标系。
图2。向量叉积的右手定则
著名科普作家马丁·加德纳在《新双手宇宙》一书中也举了几个发人深省的例子。如果我们面对两个左右成直角折叠的镜子(或者如图1右上方所示，一个左右弧形的曲面镜)，那么即使从外人的角度来看，镜子内外的左右手也不会颠倒。而如果我们面对两个上下成直角折叠的镜子(或者如图1右下方所示，曲面镜呈现上下弧形)，那么局外人会惊讶地发现上下颠倒了。这进一步表明，所谓的“左右倒置”和“上下倒置”是人脑对眼睛中图像的重新解释。
1956年，物理学家李政道和杨振宁对困扰当时高能粒子物理领域的“奇异粒子”现象产生了兴趣。这种现象也被称为“θ-τ之谜”。θ介子和τ介子显然具有相同的质量和半衰期，但它们的衰变模式不同:
李阳等人在研究过程中发现，确定θ和τ本质上是相同还是不同的基本粒子的关键在于探索衰变的弱相互作用现象是否也满足物理学界普遍认为不言而喻的宇称守恒定律(镜像对称)。
宇称守恒定律认为在镜外和镜内观测到的物理定律应该完全相同，大量实验也证明了宇称在引力场、电磁场和强相互作用中是完全守恒的。在深入讨论时，李阳突然意识到，直到1956年，似乎还没有专门设计的实验来验证弱相互作用下宇称是否守恒。为了证实是否可以从现有的β衰变实验结果中推断出可能的宇称不守恒，他们花了几周时间做了大量细致的理论计算，发现这些结果与宇称守恒无关。
图3。真向量和伪向量在镜像反射下有完全不同的行为。来源:黄一斌，聂一友(2007)镜像对称在电磁学中的应用，大学物理，10: 24-30。
图3的下半部分示出了对于像矢量直径(线速度、动量、电场强度，…)，平行于镜面M的分量不变，而垂直于镜面的分量相反(见图1中绿色箭头)；图3的上部示出了对于像角速度(角动量，磁场强度，…)，垂直于镜面M的分量不变，而平行于镜面的分量相反。如果我们想直观快速地理解镜像中伪向量的平行分量为什么颠倒，可以回忆一下图2中两个三维向量的叉积。两个真矢量的叉积是伪矢量，量子化的自旋角动量和经典力学中的角动量一样，可以看作矢量直径和动量的叉积。对于交叉积的镜像，镜外右手定则只有成为镜内左手定则，才能在数学和物理意义上自洽。左手坐标系和右手坐标系之间的差异导致平行于镜面的伪矢量的分量需要在镜面中反转。
图5。吴健雄等人对60Co核β衰变的实验设计和结果解释，以检验宇称是否守恒。
1957年1月4日，在哥伦比亚大学物理系的午餐聚会上，年轻的并没有太在意吴教授此前的劝诫，暂时不要对外人透露，并告诉与会人员，实验已经接近成功。听到这里，利昂·莱德曼教授想，如果宇称在弱相互作用下真的不守恒，那么借助他正在进行的加速器实验，再加上一点运气，他或许可以利用π和介子完成李阳论文中设计的第二个实验方案。为IBM工作的实验物理专家理查德·加温及时提供了巧妙的设计思路。Lederman的团队只用了4天就完成了实验，结果明显指向了宇称不守恒，可谓后来者，先来者。
然而，莱德曼在科学研究方面相当有道德，写完论文后，他等了吴健雄的团队一周。最后两篇论文于1957年1月15日被送到《物理评论》杂志上，并在不久后的同一天发表。在很多人眼里，这显然是两个实验组几乎势均力敌的格局。吴教授在后来的新闻发布会上没有介绍四位合作者的贡献，这引起了漫步者老师尼古拉斯·库尔蒂的不满。按照诺贝尔奖委员会的工作流程，1957年每个奖项的提名截止日期是1月底。然而，团队和莱德曼团队的两篇论文在2月15日正式发表，这意味着吴教授不可能获得1957年物理学奖的提名(图6)。
图6。诺贝尔奖提名数据库中吴健雄提名的完整记录
李阳夫妇第一次获得提名，并在当年成功获奖，这在诺贝尔奖历史上是极其难得的好运。吴教授自1958年以来被提名7次，莱德曼教授自1959年以来被提名。他们两人都没能因为证明宇称不守恒的实验而获奖。后来，莱德曼因为发明了中微子束的实验方法而获得了1988年的物理学奖。虽然历史上没有“如果”，但我们不禁要推断，如果李阳需要等一两年才能获奖，那么不排除与吴灿教授分享的可能性(莱德曼后来第一次被提名，与宇称非守恒实验相关的提名总数较少)。现在，回顾诺贝尔委员会的最终决定，与其简单地给它贴上“性别歧视”的标签(明显的反例是居里夫人在1911年第二次获得委员会青睐时独自获得了化学奖)，不如说是前面讨论中揭示的历史偶然性。
推荐阅读
渐江(1997)吴健雄:《物理科学第一夫人》，复旦大学出版社。
评论2
