01
《奥本海默》中未提及的吴健雄
有人说《奥本海默》中没有出现吴健雄，是因为她和奥本海默不熟。
实则不然。奥本海默亲切地喊她“JieJie”，认为她是 β 衰变研究的权威，她则喊奥本海默“Oppie”。
1944 年，吴健雄参与了曼哈顿计划：研发铀浓缩方法增加燃料供应。当时刚刚开始运行的位于汉福德区的生产钚-239 的 B 反应堆经常停堆终止反应，吴健雄根据大量实验数据确认是核裂变产物之一的氙-135 在反应器内大量吸收中子，使连锁反应缺乏足够中子而停止。
至于是不是因为和主剧情无关，所以影片中没有出现吴健雄，我们暂且不论。
我们想说的，是以她名字命名的“吴氏实验”，该实验证明了杨振宁和李政道提出的理论：弱相互作用中宇称不守恒，杨振宁和李政道也因此在 1957 年获得了诺贝尔物理学奖。
当你逐渐了解这个实验，你会感受到你仿佛在和当年的吴健雄对话，你能清晰地感知到她的坚韧、智慧和勇气。
即便在那个大神云集的年代，她，也熠熠生辉。
02
什么是“宇称不守恒”？
为了能够理解吴健雄的实验，我们首先需要解决的问题是：什么是宇称？
在理解物理学中的宇称之前，我们必须首先理解物理学中对称和守恒定律的概念。数学中的对称，我们都很熟悉。如果在平面上把正方形围绕中心点旋转 90 度，它将和原图重合，在物理学中，对称的含义其实差不多。
现在，我们做一个并不是很严谨的假设：
将 2 毫升的白酒滴入一杯咖啡中，观察白酒在咖啡中完全扩散所需时间。从中我们可以看出三个对称性和三条守恒：
在理想状态下，所有条件不变，你只是将杯子从桌子右上角挪到桌子右下角，白酒扩散所需时间不变，这就是平移对称性——即物理定律不随着空间中的位置而变化，对应了动量守恒。
此外，今天滴白酒，明天滴白酒，也都不会影响扩散时间，这就是时间对称性，对应了能量守恒。
最后，你把杯子转 90 度再滴白酒，扩散时间也不受影响，这就是旋转对称性，对应角动量守恒。
对称性，对于物理研究而言，到底有多重要呢？
试想一下，如果我们把咖啡杯分别放在桌子的两个位置上观察，却总结出两个扩散定律……那物理学可就真不存在了。
说到这里，宇称守恒到底是指什么呢？
其实真的不难，只是“宇称”这个词容易让我们发懵。说白了，宇称守恒，就是镜子里的世界，和真实的世界遵循着同样的物理定律。数学上看，可以简单理解成把坐标（x,y,z）变换成（-x,-y,-z），结果不变，那就是宇称守恒。
而宇称不守恒是指：在弱相互作用中，互为镜像的物质的运动不对称。
难道上帝真的会偏爱“镜中”或“镜外”的世界吗？这一直被物理学界奉为基本定律之一，直到吴健雄用实验证明了，上帝真的有偏爱性。
03
τ-θ 谜题
在 20 世纪四五十年代，存在着一个“τ-θ puzzle”：
τ 和 θ 粒子有着完全一样的电荷、自旋和质量，无论怎么看都像是同一种粒子；但 θ 却衰变成两个 π 介子，τ 衰变成三个 π 介子，如果衰变前后宇称守恒的话，那么 θ 的宇称应该是+1，τ的宇称应该是-1，那 τ 和 θ 就只能是两种粒子。但如果宇称不守恒，τ 和 θ 就可以是同一种粒子。
如果宇称守恒，τ和θ宇称的计算方式
到了 1956 年，τ-θ 谜题已经成为科学家们在各种会议上必定讨论的重大难题。这时，杨振宁和李政道提出弱相互作用下宇称不守恒，认为 τ 和 θ 是同一种粒子的两种不同衰变方式。由于这个设想打破了我们一直坚信的对称性定律，几乎遭到了所有著名物理学家的一致质疑。
在那个时候，物理学界之间有一种说法“如果吴健雄做了一个实验，它一定是正确的”。因此，杨振宁和李政道向吴健雄求助。
吴建雄给了他们一本书，这里面包含了过去 40 年来所有 β 衰变实验的结果。结果发现，没有任何实验结果能够证明宇称是否守恒。
著名的吴氏实验，就在这样的紧急关头，诞生了。
04
吴氏实验理论基础
首先，既然要验证宇称是否守恒，但肯定得先定义出“左”和“右”。
我们可以将微观世界的粒子简化成一个在不断自旋的运动小球，粒子的自旋方向这样定义：
右手手指沿着粒子自旋的方向（顺时针或逆时针）缠绕，拇指的指向就是自旋方向。接着，把自旋方向与行进方向相同的粒子称为右手粒子，把自旋方向与行进方向相反的粒子称为左手粒子。
p 为粒子的动量也就是行进方向，而 S 为其自旋方向，图片来源：Wikipedia
吴健雄选择了具有放射性的钴-60样品进行该实验，这是一种会发生 β 衰变的同位素，而 β 衰变涉及的正是弱相互作用，这也正是吴健雄所擅长研究的领域。
如果弱相互作用是宇称守恒的，那么，钴-60原子核衰变就应该在“真实”世界和“镜像”世界中产生相同的结果。但事实却令人震惊：电子更倾向于朝着与原子核自旋方向相反的方向发射。
结合这张图，我们可以简单地这样理解：
简单示意图
在真实世界中，有一个自旋向上的钴-60原子核，经过衰变后，释放出的电子向下飞去。由于自旋方向和钴-60原子核一致，所以这是个左手电子。在镜像世界中，经过镜像变换，自旋由逆时针变成了顺时针，钴-60原子核变成了自旋向下。如果宇称守恒，那左手电子就应该变成右手电子，释放的电子也就应该还是向下飞。
但是，紧接着我们却发现，电子在镜像世界中向上飞走了！
也就是说，左手电子在经过镜像变换以后，还是左手性，并没有变成右手性。
这，就是宇称不守恒。
所幸这只是发生在弱相互作用中，如果日常生活中也是宇称不守恒……那你向上蹦跶一下，却诡异地发现镜子中的自己蹲了下去。这还是挺瘆人的。
05
具体实验内容
理论上而言，这个实验貌似并不难，但实际上却需要解决很多问题，例如：微观粒子具有不确定性，我们不可能真的去观测某一个钴-60原子核发射出的电子，只能让一堆钴-60原子核衰变，以大量数据为基础，去分析电子发射方向是否在统计学上有偏向性。
此外，为了尽量减小钴原子的热运动，采用了绝热退磁的方法获得接近绝对零度的超低温。她还将样品置于匀强恒磁场中，以令原子核的自旋方向一致。这些在当时，都是最前沿的实验手段。其间遇到的各种困难，可以想象。
现在，我们来看吴健雄在 1957 年发表的论文中给出的统计结果：
相关论文截图
论文中提到，不对称因子 α 的符号是负的，也就是说，电子的发射更倾向于在与原子核自旋相反的方向上。由于涉及到许多因素，当时很难对 α 进行准确的计算。
实验结果表明，当 v/c≈0.6 时候，α 大约是 0.4。从观测到的 γ 射线各向异性数据可以计算出 /I 的值约为 0.6。这两个量给出了不对称参数 β（α=β/I）的下限大约等于 0.7。
此外，观察到的 β 不对称性，不随退磁场方向的反转而改变符号，表明这现象是本征的，并不是由样品中的剩余磁化引起的。
这就是历史上首次，在实验上证实：弱相互作用中宇称不守恒。
06
“多像年轻的我啊”
吴健雄曾经这样说过：一个实验物理学家聪明是重要的，但是不像理论物理学家聪明是最重要的；对一个实验物理学家而言，最重要的是坚持、好的判断力和一些运气。
正在进行实验的吴健雄，图片来源：Wikipedia
寥寥片语，却道尽了她一生的准则。
在杨振宁和李政道提出宇称不守恒理论后，费曼、泡利、朗道这些物理界大咖都认为这是疯狂的想法，让学生们不必浪费时间去做实验。
就是在这样的环境下，吴健雄却表示愿意全力支持杨振宁和李政道，立刻取消了一切会议和旅行，一头扎进实验室，甚至携带着实验设备前往专精气体液化的国家标准局总部进行实验，只为了尽快得到可靠的实验结果。
吴健雄的孙女回忆说，吴健雄在晚年的时候，很喜欢坐在套着褪色黄灯绒芯的扶手椅上，望向窗外的校园，赞叹那些在打篮球的女生们。
她说：看她们，多么强壮，多么快啊。看她们，做事多么努力。
那句未说出口的话，大概是：看她们，多像年轻时候的我啊。
参考资料
[1] Wu C S, Ambler E, Hayward R W, et al. Experimental Test of Parity Conservation in Beta Decay[J]. Phys. Rev., American Physical Society, 1957, 105(4): 1413–1415.
[2] Discovering Dr.Wu by Jada Yuan，
策划制作
来源丨中科院物理所
作者丨穆勒家保姆
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