中國名人史:物理學家吳健雄,實驗證實了弱相互作用中宇稱不守恆

2020-12-03 茶茶聊天下

吳健雄,華裔美國物理學家。1934年畢業於中央大學(南京大學前身),1940年獲美國加州大學博士學位1956年,李政道、楊振寧提出弱相互作用中宇稱不守恆後,吳健雄在1957年用實驗檢驗了這個理論,證實了弱相互作用中宇稱不守恆1958年,她任哥倫比亞大學教授,當選為美國科學院院士。她的主要著作有《實驗物理學方法·原子核物理學》《β衰變》等1912年,吳健雄出生在江蘇省上海縣(今上海閔行區)。

她這輩人在家族中排行「健」字輩名字的第二個字以「英雄豪傑」順次取用,在她上面有一個哥哥健英,故父親為她取名叫健雄。吳健雄的祖父和父親都是前清過來的人,難免有些重男輕女的觀念。因此,她雖是家中唯一的女兒,卻沒受到嬌寵。小時候的吳健雄眉清目秀,十分討人喜歡。她言語不多,但愛學習,很早就開始寫毛筆字,背誦詩文,還學一些算學方面的知識。在學習中,吳健雄顯現出不尋常的智力,有時候也很淘氣。

有一次,她聽見爺爺叫她的母親:「平平—」就微微皺起細長的眉,倚著爺爺的膝蓋說爺爺,姆媽不叫平平,叫復華,樊復華。」孫女的機靈和淘氣使爺爺十分高興。他順口問:「薇倌(吳健雄的小名),你知道姆媽為什麼叫復華嗎?」吳健雄思索了一會兒說:「復華,對了,對了,源於孫中山先生說的『驅逐韃虜恢復中華』。爸爸經常說孫中山先生是個偉大的人物,就幫姆媽把名字改成復華了。」聽著孫女一字一頓的話,原本對吳健雄是個女孩頗感遺憾的爺爺,更加疼愛她了。

吳健雄的性格的形成和發展,很大程度受到父親的影響。她後來回憶自己的童年說,那是一段「美好而快樂的生活」。她在父親的言傳身教之下,讀了很多書。同時,父親力求走在時代的前列,善於提出問題,熱衷學習的精神大大鼓舞了少年時的吳健雄。她的父親不僅思想進步,而且興趣廣泛,無線電風琴、狩獵、唱歌、古典詩詞等等都是他的摯愛。

他在對子女的教育方面,從不強加要求,而是適時地進行引導。他看到女兒自幼沉靜好學,天賦不凡,就經常給她提供一些學習科學知識的機會。他有空的時候就把《申報》上的一些科學趣聞,念給識字不多的吳健雄聽。父親還自己動手組裝了一臺礦石收音機,用來隨時收聽新聞。這更加豐富了吳健雄的知識。

吳健雄在瀏河鎮的明德學校接受了小學教育,這所小學是由她父親一手創建的。父親創建學校的過程、在鄉裡勇於任事、開風氣之先的作為,使吳健雄受到許多啟發。隨著時間的推移,父親逐漸傾向於教給女兒一些系統的新知識。他買回一套上海商務印書館出版的「小百科叢書」,接連不斷地為吳健雄講述其中一些科學家的成才故事。這讓小健雄對探索奇妙的大自然產生了濃厚的興趣。

十一歲那年,吳健雄離開了童年生長的瀏河,來到離家五十裡的蘇州求學。她參加了蘇州第二女子師範的入學考試。在近萬名考生中,吳健雄以第九名的優異成績,成為新生中的一員。在蘇州女子師範,她在同學中年紀最小、個頭最矮,但聰穎過人,很快就成為同學和老師都喜愛的對象。1929年,吳健雄以第一名的好成績從蘇州女師畢業,升入南京的中央大學。

進入大學以後,雖然成績出眾但她仍覺學得不夠,不但感興趣的數學、物理等課程,在文史方面也欠缺不少。因此,她除了學習理工方面的兩門課程之外,還選修了著名歷史學家楊鴻烈教的歷史學和著名社會學者馬君武教的社會學,以及大文學家胡適的「清三百年思想史」。開始,胡適不認識吳健雄。有一次考試,吳健雄坐在前排的中間位置,就在胡適面前。原本三個小時的考試,吳健雄兩個小時就交了卷。考試後,胡適很快看完卷子,送到教務室,正巧楊鴻烈、馬君武都在。胡適說:「從來沒見一個學生,對清朝三百年思想史弄得那麼透,我給了她一百分。」楊、馬二人也說,班上確實有個女生總是考一百分。於是,他們分別把這個學生的名字寫下來,結果都是吳健雄。

吳健雄在選定科學這條道路時,覺得基礎不夠紮實,心中不安。父親鼓勵她不要顧慮太多,要不畏艱難,勇往直前,還特地買了參考書,讓她暑假期間在家中自學。經過自學,她弄懂了先前學得不夠紮實的東西。不久,她信心十足地進入中央大學數學系學習,一年後又轉到自己最感興趣的物理系。後來,吳健雄一直在這個領域辛勤耕耘,並取得了舉世矚目的成就。

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    有些物理學家即便感覺宇稱可能不守恆,但是一旦他們認為宇稱在強力和弱力下都不守恆,接下來肯定會碰到滿頭包。楊振寧和李政道敏銳的發現了這一點:把原子核黏在一起的是強力,原子核發生衰變是弱力,如果我們把這兩個過程的對稱性分開來看,也就是說,假如我只認定宇稱在強相互用力中守恆,而在弱相互作用力中不守恆,那θ-τ之謎看起來就容易多了。
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    本文介紹的是:泡利的錯誤—宇稱守恆1956年6月,泡利收到了來自李政道(T.D.Lee)和楊振寧(C.N.Yang)的一篇題為《宇稱在弱相互作用中守恆嗎?》的文章。這篇文章就是稍後發表於《物理評論》雜誌,並為兩位作者贏得1957年諾貝爾物理學獎的著名論文《弱相互作用中的字稱守恆質疑》的預印本。
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  • 楊振寧最快諾獎:「宇稱不守恆」的發現
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    這是一個令人震驚的結果,也就是說,在過去的那些有弱相互作用力參與的β衰變實驗裡,宇稱守恆與否並不會影響他們的實驗結果,所以楊振寧和李政道的想法並沒有被過去的實驗證偽。當然,也沒有被證實。經過一番苦思冥想之後,楊、李發現了問題的關鍵:要想用實驗檢驗弱相互作用中宇稱是否守恆,必須測量贗標量(這是跟核的自旋和電子的動量相關的一個物理量,有個印象就行),而之前的β衰變實驗都沒有測量這個,所以實驗結果就跟宇稱是否守恆完全無關。
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    1956年10月,30歲的李政道和34歲的楊振寧在美國科學雜誌《物理評論》上發表了《弱相互作用中宇稱不守恆質疑》一文,提出了宇稱不守恆理論假設。1957年1月,美籍華裔女物理學家吳健雄率先通過實驗證實了這一理論。1957年10月,李、楊二人在提出該理論僅一周年的時候,榮膺諾貝爾物理學獎。
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    經過一番苦思冥想之後,楊、李發現了問題的關鍵:要想用實驗檢驗弱相互作用中宇稱是否守恆,必須測量贗標量(這是跟核的自旋和電子的動量相關的一個物理量,有個印象就行),而之前的β衰變實驗都沒有測量這個,所以實驗結果就跟宇稱是否守恆完全無關。
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    李政道、楊振寧針對當時物理學前沿的困難,經過查閱大量文獻,反覆的討論和計算,發現弱相互作用中宇稱守恆並沒有得到確證,沒有確切的理論證據或實驗證據。他們認為,不應該把弱相互作用中的宇稱守恆看作是天然合理的,而應該用實驗來檢測它。他們建議了幾組可能的實驗。所有身處前沿的物理學家,要麼處於盲從狀態,要麼處於迷茫狀態,沒有人知道應該向什麼方向去「找門」,李、楊提出了突破性的建議。
  • 你知道楊振寧,你知道在國外被譽為中國居裡夫人的吳健雄嗎?
    1957年,楊振寧和李政道證明了「弱相互作用中宇稱不守恆」,引起全物理學界的大震蕩。因此楊振寧和李政道獲得1957年的諾貝爾物理學獎。然而,不為人所知的是證明出來這種弱相互作用中宇稱不守恆的卻不是他自己,而是另一位偉大的中國女性——吳健雄。
  • 粒子照鏡子:什麼是宇稱守恆?
    事實上,宇稱守恆理論的確在幾乎所有的領域都得到了驗證——只除了弱力。我們知道,現代物理將物質間的相互作用力分為四種:引力、電磁力、強力和弱力。在強力、電磁力和引力作用的環境中,宇稱守恆理論都得到了很好的驗證:正如我們通常認為的那樣,粒子在這三種環境下表現出了絕對的、無條件的對稱。在普通人眼中,對稱是完美世界的保證;在物理學家眼中,宇稱守恆如此合乎科學理想。
  • 4大基本作用力之弱相互作用力
    弱相互作用力:最早觀察到原子核的β衰變是弱相互作用引起的一種現象,凡是涉及中微子的反應都是弱相互作用過程。十九世紀末,物理學家發現,有的原子核能夠自發地放出射線。後來發現,在放射現象中起作用的還有另外一種基本作用,即弱相互作用。
  • 如果沒有楊振寧和李政道,宇稱不守恆還需要過多久才能被發現?
    1957年,楊振寧和李政道因發現宇稱不守恆而獲諾貝爾物理學獎。他們提出宇稱不守恆的設想是在1956年,之所以能夠不到一年就獲諾貝爾獎是因為他們的發現實在是太重要了。若是問假若沒有楊振寧和李政道,人類還需要多久才能發現宇稱不守恆?
  • 宇稱不守恆為什麼能獲諾獎?
    但是,很多人不知道的是,楊振寧被評價為能和愛因斯坦比肩的偉大物理學家,其學術地位遠遠超過世人皆知的霍金。他一生中發現了很多理論,其中還因為弱相互作用的宇稱不守恆而獲得諾貝爾物理學獎。今天,我們就來談談他的宇稱不守恆!為了了解這一原理,我們首先要了解發射和反演。
  • 哥大中國人物史 | 吳健雄:不讓鬚眉,積健為雄
    40年代的吳健雄吳健雄曾在書信中提到,她一生受父親和胡適先生的影響最大,還曾表示:「父親教我做人要做『大我』而非『小我』」(馮,1992;Chiang, 2014)。生於新生中國的動蕩期(1912年),還在懵懂中的吳健雄從小接受著思想開明的父親吳仲裔的啟蒙教育。
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  • 105年前的今天,參與原子彈計劃,中國的居裡夫人吳健雄出生
    (萬象特約作者:一一)105年前的今天,1912年5月31日,中國的居裡夫人、世界最傑出的女性實驗物理學家吳健雄出生吳健雄(英語:Chien-Shiung Wu,1912年5月31日-1997年2月16日),江蘇省太倉人,是一位在核物理學領域卓有貢獻的美籍華裔物理學家,其丈夫是同為物理學家的袁世凱孫子袁家騮。