1、吳健雄與弱相互作用宇稱不守恒規(guī)律的實驗確證呂賢年 袁孝金 吳教授研究工作里最重要的是于1957年用衰變實驗證明了弱相互作用中宇稱不守恒。這項工作引起了大震驚，是本世紀物理學大事之一，她的關于衰變中矢量流的工作也是極重要的。在衰變的研究中她的多種貢獻使得物理學界公認她是此方面當代第一人。 -楊振寧 著名實驗物理學家吳健雄教授，早年畢業(yè)于中央大學，30年代赴美留學，攻讀博士學位時，就因科學研究工作上的見識和成就，而贏得美國最負盛名的大科學家奧本海默和勞倫斯等人的高度賞識。隨后，她在衰變中的一系列工作，使她成為該領域研究的世界權威，更由于她以精湛的實驗確證弱相互作用中宇稱不守恒和向量流守恒的理論，而

2、享有“中國居里夫人”之譽。（一） 1912年5 月31日，吳健雄生于上海市，祖籍江蘇太倉縣瀏河鎮(zhèn)。童年時代，吳健雄是在父親創(chuàng)辦的瀏河初級小學度過的。吳健雄幼年人格的成長和發(fā)展，無疑受到了她父親最大的影響。她成年后，回憶起自己的童年，說那是一段“美好而又快樂的生活”。 1923年，11歲的吳健雄離開了童年生長的瀏河鎮(zhèn)來到蘇州，開始進一步求知和成長的少年歲月。吳健雄參加了蘇州第二女子師范學校的入學會考，在接近萬人的考生中，以名列第九的成績，成為入學的200人中的一員。在女子師范求學期間，盡管她在國學和文史方面有很好的天賦，在同學中也有許多志趣相近的好友，但是她慢慢由閱讀和學習中認識了外面世界許多引

3、人的新生事務。歐州科學的發(fā)展，造成人類對宇宙認知的革命。在法國發(fā)現(xiàn)放射性元素而舉世聞名的居里夫人的傳記，都深深吸引了她。通過這些影響，逐漸塑成了她對物理科學的終生志趣。1923年到1929年，吳健雄在蘇州女師接受了6年教育，6年的知識學習和生活體驗，使她由一個智識初萌的女童，育化成一個有識見，專心定志的少女。1929年，她以最佳成績，由蘇州女師畢業(yè)。并且獲得保送入南京國立中央大學理學院學習。按照蘇州女師規(guī)定，師范畢業(yè)后必須教書一年，才能繼續(xù)升學，但由于當時這一規(guī)定并沒有那么嚴格，因此吳健雄便聽從父親的建議，進入了上海的中國公學，成了胡適最得意的學生，使得在吳健雄的一生中，胡適成了繼她父親以后的

4、又一位對其最有影響的人。1930年秋，吳健雄正式進入了南京中央大學數(shù)學系學習，一年以后，她又轉到自己最有興趣的物理系學習。那時中大物理系也有許多名師，如在光學研究很有成就的系主任方光圻教授。跟隨居里夫人做過研究的清華大學第一屆畢業(yè)生施士元教授，以及后來成為中國著名物理學家，并且任南京紫金山天文臺臺長的張鈺哲教授等。在這些名師的精心栽培下，加之自己的刻苦努力，吳健雄大學四年的學習成績優(yōu)異。1934年春天，在施士元教授的指導下，吳健雄完成了題為“晶體中X射線布拉格衍射方程的驗證”的畢業(yè)論文，而獲得了理學學士學位。吳健雄畢業(yè)后先去了浙江大學做了一年助教，爾后經施士元教授的介紹，轉入了中央研究院物理研

5、究所，在由美國密西根大學獲得博士學位的顧靜微教授指導下從事光譜研究，當顧教授了解了吳健雄決心出國求學的心愿后，便設法為她到密執(zhí)安大學研究生院讀書取得了入學資格。1936年8月，吳健雄在其叔叔吳琢之的資助下，來到美國。來到美國后，吳健雄應一位老朋有林女士的邀請來到柏克萊停留幾天。這期間她在林女士的帶領下，參觀加州大學校園時，結識了于三年前來到該校物理系就讀而日后成為她丈夫的袁加騮先生。在袁加騮的引薦下，吳健雄在離開柏克萊時，參觀了諾貝爾獎獲得者著名物理學家勞倫斯(E·Lawrence)的回旋加速器實驗室，以及訪問了加州大學物理系主任伯奇(R·Birge)教授，伯奇見到她后便開

6、始喜歡上這位成績優(yōu)秀的東方女子，并說服她留在加利福尼亞大學而不去密執(zhí)安大學。由于勞倫斯教授的回旋加速器實驗室里開展的核物理給她留下了深刻的印象，同時她也意識到，核物理領域比光譜學更加激動人心，于是吳健雄改變了去密執(zhí)安大學求學的計劃，而留在加州大學，師從勞倫斯教授攻讀博士學位。1938年，吳健雄正式開始其后來成就斐然的原子核物理實驗的研究生涯，她的第一個實驗由勞倫斯指導，題目是探究放射性鉛因產生衰變放出電子，而激發(fā)產生的兩種型態(tài)X光的現(xiàn)象。這個工作與當時已相當出名的科學家烏倫貝克(G·UhlenB)、貝特(H·Bethe)和海特勒(W·Heitler)的理論工作有著

7、直接的關系，在勞倫斯的具體指導下，對于放射性元素由衰變放出電子而產生兩種型態(tài)X光的理論、以及分辯方法，吳健雄都作出了實驗驗證和分析，這不但給當時這幾方面的幾個理論建立提供堅實的實驗基礎，也探察出為什么其它科學家進行類似實驗的結果和理論計算不相符的原因。她的實驗結果后來在1941年度的物理評論上發(fā)表。1939年，吳健雄又在由意大利逃亡到美國的1959年諾貝爾物理獎獲得者著名物理學家塞格雷教授指導下從事探究鈾元素原子核分裂后的產物。她在實驗中找到了好幾種稀有氣體放出的放射性系列，并且確定出兩種放射性氣體氙的半衰期、放射性數(shù)量和同位素數(shù)量。吳健雄的這一工作，使得當時在華盛頓州的漢佛城建立的原子反應堆

8、不能正常工作的難題得以順利解決，1940年5 月，吳健雄以上述杰出的實驗工作成就而獲得博士學位。吳健雄獲得博士學位后，留在勞倫斯實驗室讀了兩年博士后，繼而又在美國麻省羅森普頓史密斯學院教了一年書。1943年，她轉到普林斯頓大學擔任講師，給一些參與國防計劃的軍官講授物理學。1944年3 月，吳健雄進入哥倫比亞大學，任資深科學家，并且獲得特殊保密許可，以一個外國人身份，參加了當時美國最機密的制造原子彈的“曼哈頓計劃”。1946年吳健雄因研究成果卓著被接納為哥大編內一員。1952年，吳健雄被提名為副教授，1958年成為正教授，同年被選入美國科學院。（二）吳健雄教授畢生獻給了科學事業(yè)，在她五十多年科研

9、生涯中作出了諸多的杰出貢獻，諸如衰變的機理，子原子，奇特原子，穆斯堡爾譜學，核現(xiàn)象的對稱性，以及生物物理學等。然而，她最突出的貢獻除了關于衰變的機理以外，就是用精湛的實驗，首次驗證了弱相互作用宇稱不守恒規(guī)律，和證明了衰變中的矢量流守恒理論。本文僅就弱相互作用宇稱不守恒規(guī)律的實驗確證作一簡介。弱相互作用宇稱不守恒規(guī)律的實驗確證，起源于50年代人們對介子衰變的研究。當時人們發(fā)現(xiàn)一種為介子衰變?yōu)槿齻€介子，另一種稱為介子的粒子衰變?yōu)閮蓚€介子，其衰變方程為+-，+0。令人驚異的是，、具有相同的質量和壽命，現(xiàn)已知道、是同一種粒子+，但當時人們對這一點感到疑惑，從質量和壽命看，它們應當是同一種粒子，只不過有

10、不同的衰變方式，但如果是同一種粒子的話，則上述衰變中，必有一種過程宇稱不守恒。這一問題成為當時粒子物理中的一個難解之謎。1956年4 月，在美國羅徹斯特大學舉行核物理會上，迫于為困擾物理學家的之謎尋找出路，著名物理學家費曼(R·P·Feynman)曾提出了這樣問題：是否宇稱守恒定律有時會不成立？費曼提出這個問題后，楊振寧說他和李政道兩人對這一問題進行過研究，但未得出具體結論。在這次會議討論激勵下，他們兩人隨后對這一問題作了仔細地研究，5 月初，他將研究結果寫成論文，并投寄到美國物理評論雜志社，這篇使他倆獲得1997年諾貝爾獎的文章在1956年10月的物理評論上發(fā)表。他們在文

11、章中大膽提出了在弱相互作用中宇稱不守恒的論斷，而且還提出了一系列實驗，用以檢驗弱相互作用中的宇稱不守恒問題，其中建議的實驗之一是關于原子核的衰變，他們在這篇文章中指出：“在衰變中，我們可以測定從極化原子核衰變中產生的電子角分布，如果觀察到和(180°-)的角分布是不對稱的(這里是母體原子核的取向與電子動量之間的夾角)，那么就提供了無可爭辯的證據(jù)，說明在衰變中宇稱不守恒?！?956年5 月的一天，李政道來到吳健雄的普平實驗室，向她了解有關衰變實驗狀況的一系列問題，遺憾的是她未能給李政道提供從衰變實驗結果中得到的有關贗標量(·P)的任何信息，因為以前所有這方面的實驗研究都限于標

12、量，例如的形狀和半壽命的強度等。在李政道教授離開時，吳健雄對他提供的有人建議用核反應產生的極化原子核或用來自反應堆的極化慢中子束兩種方法都很懷疑，認為最好用磁方法處理Co60源的問題，后來的實踐證明，那是一個至關重要的幸運的決定。對于一個研究衰變的物理學家來說，完成這樣一個決定性實驗實在是一個珍貴的機會，于是吳健雄取消了原定的隨丈夫袁加騮教授一起參加在日內瓦舉行的高能物理國際會議，隨后去遠東旅行講演的計劃，正式專心于這項重要而又難度極大的實驗工作。絕熱退磁方法使Co60極化，需要在極低溫的條件下進行，吳健雄遇到了兩個過去不曾碰到的技術上的困難：一個是把一電子檢測儀裝入液氦溫度下的低溫恒溫器中，

13、并使之具有譜儀的功能；另一個是必須加工一個能裝在非常薄的表面層中的Co60源，并能保持充分長時間的極化狀態(tài)以便得到足夠統(tǒng)計規(guī)律性。當時，美國只有兩、三個低溫實驗室有做核定向的實驗，于是吳健雄便邀請了離哥大最近的國家標準局的低溫實驗室的安布勒(E·ambler)教授領導的實驗小組合作做這一實驗，當安布勒了解這一實驗重要性后便高興地接受了她的邀請，決定與吳健雄合作做這一實驗。從6 月初到7 月底這段時間內，吳健雄已經就原子核物理在低溫環(huán)境中可能有的各種影響，進行實驗，詳細了解了各種可能性。7月24日，吳健雄給安布勒寫了封信，信中告訴他，她對于在液態(tài)氦極低溫度下，去探測 衰變的實驗準備已經

14、得到滿意的結果。如果沒有其它的突發(fā)技術問題，實驗可以安排正式進行。一周后她收到安布勒的來信，說他從8月4日起要休假兩個禮拜，于是吳健雄利用這段時間，詳細地研究了磁場對計數(shù)的影響，以及研究粒子自硝酸鈰鎂(CMN)單晶背托有反散射。9月中旬，吳健雄終于前往華盛頓，開始與安布勒等合作做Co60極化核實驗。具體實驗是將放射源薄層鋪在硝酸鈰鎂晶體表面，并將放射源的小室處于低溫容器中，再利用周圍的螺旋管線圈中通過的電流而產生的軸向磁場促使Co60極化。由于Co60核衰變后產生的Ni60核放出射線，未被極化的Co60源的大量核自旋的雜亂無章，使得射線的分布是各向同性的，而極化了的的Co60源的核自旋有定向特

15、性，使得射線的分布各向異性。這樣通過放置在Co60源“赤道”和“極點”附近的兩個射線計數(shù)器記錄到的光子的多少，便可以確定Co60放射源的極化程度。在進行絕熱退磁和降溫極化后，就可以進行電子角分布的測量，Co60放射源上方的蒽晶體記錄衰變放射出的電子，當一個電子射入晶體，便在其中產生一次閃爍光，通過光導后被光電信號倍增器記錄，顯示衰變的強度。在具體實驗中必須進行兩次，一次外磁場方向向上，使Co60核沿向上(正Z)的方向極化，而使上方的閃爍計數(shù)器測得順著極化Co60核向上的自旋方向發(fā)射的電子數(shù)；另一次外磁場方向向下，使Co60核沿向下(負Z)的方向極化，從而上方的閃爍計數(shù)器測得逆著極化Co60核向

16、下自旋方向發(fā)射的電子數(shù)，這兩次測量結果，代表方位相差180°的互為鏡像的對應過程。實驗開始后進行得很不順利，原因為表面薄層的極化不能持續(xù)到實驗觀察所需的那么長時間，產生這種情況是由于輻射、傳導或He交換氣體的凝結傳熱量到達樣品表面而使其溫度突然升高所致。唯一的挽救辦法是把這層薄的硝酸鈰鎂晶體屏蔽在一個大的冷卻的同種晶體罩殼中，阻礙溫度上升，這樣一來，他們又面臨生長出大晶體的重大困難。為了解決這一困難，吳健雄去請教這方面研究的一些專家，得知必須要精良的設備和長時間才能完成。吳健雄急于進行實驗，于是她要自己的化學助手費列許曼(H·Fleishman)到圖書館里找到一本表面蓋滿了

17、灰塵的的半個世紀前由德國出版的有關晶體資料的巨著，通過這本巨著中的有關內容介紹，她和她的研究生償試晶體生長的實驗，但結果不符合極化核實驗的需要。一個偶然的機會，使她們的晶體生長的實驗出現(xiàn)了轉機，一天晚上，女研究生畢阿娃提(M·Biavati)，把一些制晶體的化學成份帶回家去，在做晚飯時，把裝有晶體成份的玻璃燒杯放在爐臺上，由于爐臺的溫度較高，使得燒杯溶液中熔解了更多的硝酸鈰鎂。第二天早晨，畢阿娃提意外地發(fā)現(xiàn)燒杯中長出一塊有一公分左右的晶體，于是帶到了實驗室。吳健雄立即受到啟發(fā)，便嘗試用類似的但經過改進的方法，果然制得了能滿足實驗要求的晶體，三個星期后，她們得到了十塊硝酸鈰鎂完美的大單

18、晶。后來吳健雄在一篇回憶文章中寫道，當時她帶著這些寶貴的晶體返回華盛頓時的心情，她感到自己是“世界上最快樂和自豪的人”。(8) 得到這些晶體后，她們面臨的問題是如何利用這些晶體制成硝酸鈰鎂晶體的外套，一切準備完畢，已到當年12月份，到月底她們得到了很重要的實驗結果。圖象顯示，原子核衰變釋放的電子，傾向于逆著原子核自旋角動量的方向射出，射出的方向和原子核自旋角動量方向夾角的出射角90°的電子比90°的電子多，這表明電子的角分布是上、下不對稱的，從而衰變不再具有鏡像對稱性。因此，弱相互作用中宇稱不守恒。為了穩(wěn)妥起見，吳健雄和實驗小組成員一起對實驗中各種因素對結果的影響進行檢驗，

19、1957年1月2日到8日是她們實驗工作最密集的一段時間，她們一次次把溫度降低到液態(tài)氦的低溫，檢驗所有可能推翻她們結果的因素，直到1月9 日清晨2點鐘，她們終于將預定要進行的實驗查證完全做完。于是，1月15 日，哥倫經亞大學用新聞發(fā)布會的方式，發(fā)布吳健雄等所做的實驗結果。這一實驗結果使當時的物理學界感到震驚和意外，事后著名物理學家維格納(E·Wigntr)教授回憶道：“我記得那時沒有一個人對這一結果感到高興”。但是吳健雄的實驗設計是那么精湛，實驗結果是如此不容置疑，使得這篇發(fā)表于1957年2月份物理評論雜志上、篇幅僅僅兩頁的論文，成為實驗確證衰變中宇稱不守恒的傳世之作。（三）吳健雄因衰

20、變中宇稱不守恒以及矢量流理論的實驗確證的杰出貢獻，在核和粒子物理學界享有盛名。1972年吳健雄被委任為哥倫比亞大學普平物理學講座教授，1973年榮任美國物理學會第一位女性會長。1975年美國總統(tǒng)福特在白宮授于她國家科學獎章，這是美國政府對科學、數(shù)學和工程方面有杰出成就的科學家的最高獎賞。1978年，吳健雄在耶路撒冷光榮地接受了沃爾夫獎的首次物理獎，除此以外，吳健雄還先后獲得了1958年的美國科學研究基金會獎，1959年的美國大學婦女協(xié)會成就獎，1964年美國國家科學院康斯托克獎，1974年核工業(yè)研究雜志授予的年度科學家獎及紐約科學院在核物理和核工程研究方面的普杰獎，1975年美國物理學會核物理

21、方面的玻勒獎，1981年度聯(lián)合國教科文組織資助的圣維森特文化基金會的“年度杰出婦女獎”，1983年哈佛大學終生成就獎以及國際文化交流杰出貢獻的第二屆藍云獎。吳健雄還先后被授予普林斯頓、哈佛大學、賓夕法尼亞大學、哥倫比亞大學、紐約州立大學、意大利帕多瓦大學等15所大學的名譽科學博士學位。19781982年，她被任命為美國國家衛(wèi)生研究院院長顧問委員會委員和理事，她還先后被選入美國科學院(1958年)、愛丁堡皇家學會(1969年)、美國藝術和科學院(1972年)、美國哲學學會(1980年)等。1982年吳健雄被授予南京大學、北京大學和中國科學技術大學的名譽教授稱號，1994年6月當選為中國科學院首批外籍院士。(9) 1990年3月11日，國際小行星中心和小行星命名委員會在國際小行星通報上發(fā)布了一批新小行星的命名公告，其中第2752號小行星被命名為吳健雄星，以表彰她對科學事業(yè)所作的巨大貢獻。(1