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吴健雄是如何改变物理定律的

时间:2023-08-16 04:56:14

幸运草

1957年,物理界的?云人物聚在普林斯顿大学的一个讲堂里,听着一位个子不高的华裔女性作报告。当她把最近的实验及结果告诉台下的听众时,罗伯特·奥本海默和乔治·雷诺兹等人屏息聆听。一位观察人士事后回忆称,她在做完报告后,问听众有没有什么问题时,台下的听众在沉默了两分钟后,全体起立,为她鼓掌,雷鸣般的掌声响彻了整个讲堂。

这位女性就是吴健雄,她的实验恰恰动摇了物理学的理论基础。这一理论基础不仅一直以来支撑着她所研究的领域,还对科学家认知周遭世界起到了至关重要的作用。吴健雄的实验结果让她显赫的职业生涯更上一层楼,让她成为能够载入史册的物理学奠基人。即使到今天,无论历史的进程是否因为她而发生改变,吴健雄仍是个响当当的大人物。

阔别故土

吴健雄于1912年出生在上海附近地区,她的父亲是一名工程师,母亲是一名教育工作者。吴健雄自幼深受父母的影响。与同时代的许多中国女性不同,她接受了正规的教育。年轻的吴健雄是一名师范生,成绩优异。她被数学和科学吸引,晚上就开始学习这两门学科。居里夫人等女性科学家的新发现和事迹让吴健雄十分着迷。1930年,吴健雄进入国立中央大学攻读数学专业。不久,她又转到物理系,从而开启了不一样的人生。

这是一个物理学与中国局势都在发生巨大改变的时代。中日关系日趋恶化,国内动荡激烈,在叔父和导师的帮助下,吴健雄前往美国攻读研究生学位。她与故土一别就是36年,再也没能和父母团聚。

吴健雄原本计划前往密歇根大学,但在参观了加州大学伯克利分校,并听说密歇根州一个学生中心禁止女学生从前门进入之后,她的想法改变了。这是她第一次体会到了性别歧视的滋味,而这还只是今后更多类似事件的一场预演。当时,物理学由男性主导,女性在很大程度上被排除在外,或者只被允许作为辅助角色进入这个领域。

在伯克利,吴健雄的性别和民族特征让她格外显眼。从一开始,她的男同事们就对她美丽的容貌和敏锐的头脑给予了同等的关注。在历史学家伯奇·麦克格雷恩笔下,吴健雄是“伯克利的校花”。吴健雄的导师、核物理学家与诺贝尔奖获得者埃米利奥·塞格雷在他的回忆录中写道:“当她走在校园里时,总有一群崇拜者追随在后面,就如女王出巡一样。”

但在实验室里吴健雄并不输于任何人,她很快就成了一个响当当的实验家,同时也是新发现的核裂变现象的专家。尽管吴健雄撰写了一篇广受好评的论文,并继续进行核裂变的博士后研究,但1940年吴健雄获得博士学位后,伯克利分校并没有聘用她。于是,吴健雄去了史密斯学院,给女性上物理课。第二次世界大战导致反亚裔情绪日益高涨,受此影响,吴健雄和同为物理学家的丈夫袁家骝决定前往美国东部。

绝密计划

二战让吴健雄和其他女性科学家有了前所未有的机会。男人们奔赴战场,大学只好不情愿地开始雇用女性教授科学课程。吴健雄前往普林斯顿大学,成了普林斯顿大学物理系的第一位女教师。1944年,到普林斯顿大学不久后,吴健雄的职业轨迹发生了意想不到的变化。在物理学家恩里科·费米的坚持下,哥伦比亚大学的美国战争部官员向她咨询了她那篇探讨核裂变的毕业论文。吴健雄最终加入了哥伦比亚大学,并和那里的工作人员一同参与了一项绝密研究——曼哈顿计划。

史蒂文斯理工学院的教授、核历史学家亚历克斯·韦勒斯坦表示:“当时,对高素质的科学人员有很大的需求,紧迫感很强。”吴健雄立马着手辐射探测器的开发,并对气体扩散研究做出了贡献。气体扩散法是浓缩铀时需要用到的一种工艺,至今仍在使用。

韦勒斯坦说:“气体扩散法绝对是一门关键技术,没有这个技术,也就不会有原子弹。气体扩散也是冷战期间美国主要的浓缩技术。时至今日,这项有用的技术仍是一项保密技术。”

尽管几乎可以肯定吴健雄清楚自己参与的曼哈顿计划的终极目标,但她一生中却罕见探讨核弹及其造成的破坏性影响。相反,在之后的几年里,吴健雄转向了物理学的其他研究领域,并最终为推翻物理学中关系最密切的几大定律做出了自己的贡献。

女性影响力

二战期间,劳动力短缺让女性也有机会参与曼哈顿计划。一些技术人员正在田纳西州橡树岭的Y- 12工厂工作。

曼哈顿计划是制造第一颗原子弹的绝密计划。吴健雄也不是因曼哈顿计划而开创职业生涯的唯一一名女性。韦勒斯坦说,当时,战争是头等要事,战争“不允许政府官员像以前一样摆出性别歧视和种族主义的架子”。政府官员急于让更多德高望重的科学家开发原子弹。而吴健雄则是二战期间为数不多受人尊敬的女性物理学家之一。露丝·豪斯和卡罗琳·赫尔岑贝格写道:“除了作战行动之外,女性参与了曼哈顿计划各个方面的工作。”尽管参与曼哈顿计划的女性总数尚不清楚,但她们的人数已经确认超过了20世纪60年代参与阿波罗计划的女性。

物理定律被撼动了吗?

二战后,吴健雄作为哥伦比亚大学的研究员(直到1952年,她才成为哥伦比亚大学物理系的第一位终身女教授),详细深入地研究了放射性衰变,并开始研究亚原子粒子的特性。吴健雄与哥伦比亚大学的李政道和普林斯顿大学的杨振宁展开合作。这两位物理学家认为,新发现的K介子违反了长期存在的宇称性理论和对称性理论。

大多数粒子的衰变是对称的,会从两端发射出电子。但是K介子的表现让人出乎意料,李政道和杨振宁认为,进一步实验或许能验证宇称守恒定律是否真的合理。按照宇称守恒定律,物理系统的行为是对称的,即使在镜像中,它们的行为也是一样的。

打破物理定律

1956年,吴健雄的一项实验推翻了“宇称守恒”的假设,创造了历史。这一实验如今被称为吴氏实验,它证实了物理反应并不总是表现出镜像对称。当时,科学界争相证明,一种放射性同位素在衰变时,可以发射出不对称的电子。吴氏实验就是在这样的背景下进行的。吴健雄和她的同事在华盛顿特区的美国国家标准局的低温设施中进行了这个实验。吴健雄后来回忆说,这是一个“绝佳机会”。她当时自己制作钴晶体,用牙医的钻头给晶体钻孔,然后冷冻晶体,并在磁场中将它们校准成直线。吴健雄只有15分钟的窗口期来做这个实验,但对她来说时间足矣,这15分钟将开辟对粒子物理学更加现代的理解。

正是吴健雄建议使用放射性同位素钴-60,并亲身上阵完成了这项实验。吴健雄与美国国家标准局的实验人员合作,她每晚只睡四个小时,并计划了一个雄心勃勃的实验,她计划将放射性钴晶体冷却到绝对零度(零下273.15摄氏度)左右,然后用一个强大的磁铁对准它们的原子核,研究它们是否会同时从左右两侧释放出电子。

经过了几个月的实验,吴健雄最终确认,钴原子核会从一侧释放出电子,而另一侧则没有释放的痕迹。这一发现成功地推翻了宇称定律。这是一个具有突破性、值得庆祝的发现。吴健雄后来说:“这些都是令人振奋和狂喜的时刻,能窥见这个奇迹,是对我一生的回报。”

尽管吴健雄和她的同事受到了各方的敬贺,吴健雄也成为研究领域以外的科学名人,但她的贡献被诺贝尔奖委员会忽视了。为表彰这一发

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