杰出的女性华裔实验物理学家

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  《人教版高中物理必修一》第94页有一幅关于吴健雄教授做实验的插图,图中注解“吴健雄(1912-1997),华裔美国物理学家,她除了用实验验证宇称不守恒外,还用实验证实了电磁相互作用与弱相互作用的密切关系,对后来电、弱统一理论的提出起了重要的作用。”看到这幅插图不禁思绪万千,吴健雄先生是当代伟大的实验物理学家,被誉为“中国的居里夫人”,今年恰逢先生诞辰100周年,谨以本文深切缅怀先生以表示崇高的敬意。
  1 成绩优异的求学经历
  1912年5月31日吴健雄出生于江苏太仓浏河镇一个读书人家。父亲吴仲裔早年加入同盟会,知识广博,思想进步,是她最为亲近和敬佩的人,对她的一生产生了深远的影响。吴健雄在家乡父亲创办的明德学校接受了小学教育,从小就对探索自然的奥秘产生了浓厚兴趣,形成了坚毅自主、一丝不苟的优良品格。
  1923年吴健雄考入苏州第二女子师范学校学习师范课程,学校除了聘用很多优秀的教师授课,还经常邀请国内外知名学者来做讲座,这使得吴健雄眼界大开,了解了许多科学上的新发现,塑成了她对物理科学的终生志趣。吴健雄曾说:“因为芸芸繁多的物质世界,表象光怪陆离,内层却好像存在某些神秘奥妙的规律,深深吸引了我。”为了学习更多的科学和英语,每天晚上自习结束以后等其他同学做完功课,吴健雄便把她们的课本借过来自学数理化,中学时代的勤奋刻苦为她后来的学习研究奠定了坚实基础。
  1927年吴健雄以优异的成绩从苏州第二女子师范毕业,1930年进入国立中央大学学习物理学。二十世纪二、三十年代正值物理学革命性发展时期,吴健雄在中央大学有幸师从居里夫人的学生施士元先生,打下了坚实的物理学基础,从此走上了物理科学的研究之路。1936年在叔父资助下,吴健雄怀着雄心壮志进入加利福利亚大学伯克利分校物理研究所就读。当时的伯克利物理系英才聚集,研究氛围非常浓厚,吴健雄全身心地投入到学习和研究工作中,经常做实验到深夜2、3点钟才休息,期间完成了两项非常杰出的实验,赢得了导师们的赞誉。在劳伦斯(回旋加速器的发明和建造者)指导下,获得了放射性铅因产生β衰变放出电子而产生出两种形态X光的精确实验数据及实验分析;在赛格瑞(著名意大利裔美国物理学家)指导下,发现对铀原子核裂变链式反应有关键影响的惰性气体“氙”,相关的研究成果发表在《物理评论》杂志上,这个实验结果对后来美国原子弹工程“曼哈顿计划”作出了关键的贡献。凭借这两项杰出的实验,1940年吴健雄获得了博士学位,并继续在伯克利物理研究所攻读了两年博士后课程,奠定了她在物理学界的地位,成为物理学界一颗冉冉升起的新星。
  2 成果卓著的科研岁月
  1944年经劳伦斯推荐,以资深科学家的身份进入哥伦比亚大学战时研究部,从事原子核裂变方面的研究。二战结束后吴健雄留在哥伦比亚大学选择原子核β衰变作为自己的研究方向,理论知识日趋完善,实验技能日趋成熟,开始了她那成果卓著的科研生涯。
  2.1 原子核β衰变谱线的研究
  原子核β衰变是三种放射性衰变中最神奇微妙、富有革新内容的一种,它是原子核物理中的一种典型弱相互作用过程。1934年意大利裔美国物理学家费米创立了β衰变的定量理论,预言β衰变谱线应该包括允许谱以及各级禁戒谱,但早期实验结果与最简单的允许谱都相距甚远,以至于理论上对于β衰变的过程还存在许多严重分歧。
  吴健雄和艾伯特合作以精密的实验技术对β衰变谱线做了系统研究,并观测到三种不同的禁戒谱,得到的结果与费米理论的预言吻合得非常好,证明了费米β衰变理论的普适性,澄清了理论上数十年的争论,对β衰变机制的建立起到了极为关键的作用。对β衰变谱线的研究是吴健雄对物理学巨大贡献之一,这使得她在β衰变领域中,不仅享有了最权威的地位和声望,而且已经跻身于世界级物理学家行列。
  2.2 证明弱相互作用下宇称不守恒
  宇称守恒定律长期以来被认为是和能量守恒、电荷守恒一样普遍适用的定律,直至1954年科学家们遇到了令人费解的“θ-τ之谜”。θ和τ是原来人们认识到的两种粒子,在衰变过程中表现为完全相反的宇称,如果衰变过程遵循宇称守恒定律,那么它们必然是两种宇称状态不同的粒子。但是越来越多的事实表明它们有着完全相同的性质、相同的质量、相同的自旋,它们其实就是同一种粒子(现在人们把它们称为κ介子)。1956年杨振宁、李政道提出了一种解决办法,认为在弱相互作用范畴内宇称不守恒,即以推翻弱相互作用条件下宇称守恒来说明θ和τ是同一种粒子。杨振宁和李政道的理论迫切需要实验验证,历史把科学的机遇送到了吴健雄面前。
  吴健雄以其非凡的洞察力,在β衰变领域权威的地位,精准的实验素养,力排众议,毅然决定为杨振宁和李政道的理论提供实验依据。实验经过几个月的前期准备,在得到了美国国家标准局几位科学家的加盟后,终于在国家标准局的实验室展开了。吴健雄用惊人的毅力和智慧,克服了一个又一个困难,终于在1955年12月中旬观察到60Cu在β衰变中释放的电子在空间分布是不对称的,其中出射角大于90°的电子比出射角小于90°的电子数目多出40%。经过反复的实验验证,1956年1月9日凌晨吴健雄和她的合作者们终于证实了60Cu在β衰变中宇称不守恒,从而表明杨振宁和李政道关于弱相互作用下宇称不守恒结论的正确性,促使杨李二人走上了1957年诺贝尔物理学奖的领奖台。
  吴健雄“宇称不守恒”实验的成功,无疑像一颗重磅炸弹震惊了世界物理学界,不仅使物理学得到了革命性进展,而且扭转了人们一贯的错误看法,用科学的方法摘除了人类眼中的“白内障”。吴健雄也因此声名鹊起、名扬海内,树立了她在物理科学中重要的历史地位。1958年美国普林斯顿大学授予吴健雄荣誉博士,成为具有悠久历史的普林斯顿大学历史上第一位女性荣誉博士;同年吴健雄被选为美国国家科学院院士,这是美国科学界的最高荣誉。
  2.3 证明原子核β衰变矢量流守恒定律   最早人们发现在电磁相互作用中矢量流守恒(即电荷守恒定律的微观本质),1955年葛尔希坦和泽尔多奇就提出了弱相互作用中矢量流守恒的可能性,但当时人们甚至还不清楚弱相互作用中是否有矢量流参与。继弱相互作用下宇称不守恒被证明以后,弱相互作用的正确形式很快被确定下来,它是由矢量流和轴矢量流产生的,1958年费曼和盖尔曼再次提出弱相互作用中矢量流守恒的假设。这一假设用实验证明非常困难,经过近一年的准备和几个月密集的实验数据收集,对12B和12N原子核β衰变的谱线进行了细致测量,比较了它们的形状修正因子,吴健雄和她的同事们终于在1962年12月成功地在原子核β衰变中证实了弱相互作用中矢量流守恒。这个实验的意义非常深远,它不仅建立了一条新的守恒定律,还第一次通过实验证实电磁相互作用与弱相互作用的密切联系,为弱电统一理论的建立铺平了道路。
  2.4 实验否定“定域隐参量理论”
  1935年,爱因斯坦、波尔多斯基和罗森合作提出“定域隐参量理论”,对以波尔为首的哥本哈根学派量子力学体系的完备性表示质疑,双方的论战持续了很长时间。1964年贝尔证明了一个关于关联量的不等式,“定域隐参量理论”给出的关联量必须遵从该不等式,而量子力学则可以不遵从,贝尔不等式为这场论战提供了实验检验的可能。1975年吴健雄和她的合作者们利用64Cu的β 放射性,在正负电子湮没时放出两个光子,测量了两个光子的极化关联,实验结果表明不遵循贝尔不等式,却与量子力学理论吻合得非常好。这个实验从事实的角度支持了量子力学的观点,为长期以来的理论分歧画上了圆满的句号。
  此外,吴健雄在穆斯堡尔效应、μ子与介子及反介子、双β衰变、超低温核物理等方面进行了系统的实验研究、分析和高精度的实验观测;同时对盖革计数器、塑料闪烁探测器等实验仪器和装置进行了改进。吴健雄的研究几乎涵盖了原子核实验物理的各个方面,贡献之大,世所瞩目,令人赞叹。
  3 严谨求实的治学态度
  吴健雄和许多大物理学家一样,对待科学问题严谨求实、勇于质疑,敢于创新,这是她能够取得辉煌成就的主要原因。1956年当吴健雄决定为杨振宁和李政道的弱相互作用下宇称不守恒理论提供实验依据时,很多当时著名的物理学家都表示这是在浪费时间,遭到了不少科学家的反对和嘲讽。美国物理学家,诺贝尔奖获得者费曼认为这是一个不理智的举动;另一位诺贝尔奖获得者布洛克则认为这简直是天方夜谭,如果成功了他愿意吞下自己的帽子,以表示坚决反对的态度。然而吴健雄不为所动,独具慧眼,坚持认为这个实验是值得去做的,因为就算实验结果不能推翻宇称守恒定律,也能作为对宇称守恒定律的基本测试。吴健雄曾说:“永远不要把所谓不验自明的定律视为必然,科学不是静态的,而是永远在成长和动态的,对长期确立的学说表示怀疑的勇气,以及不断追求证据和证明,是推动科学前进的力量。”
  此外吴健雄在实验物理学界向来以严谨认真,数据准确可靠著称,被视为世界实验物理学界的权威。很多世界一流的物理学家公认,吴健雄是唯一从来没有在实验中犯过错误的物理学家。在验证弱相互作用下宇称不守恒理论的实验中,吴健雄初步得到了实验结论,曾经私下告诉李政道并嘱咐不要向外透露,因为还有一项对实验有重要影响的因素没有排除。又经过了半个月的时间,在排除了所有干扰因素,对实验进行了反复验证之后才正式向物理学界公布了自己的实验结论。可见吴健雄对科学的态度之严谨,对于名利之淡泊,确为世人之楷模。
  4 心系祖国的赤子之情
  从1936年登上“胡佛总统号”轮船赴美留学的那一刻起,旅居海外60年,吴健雄始终怀着一颗火热的赤子之心。她的衣着和饮食一直保持着中国式的传统习惯,尤其对旗袍情有独钟,重大场合总是穿着旗袍,表示对祖国的敬意。1973年秋,吴健雄和丈夫袁家骝在与祖国阔别37年后回到了魂牵梦萦的祖国,周恩来总理在北京人民大会堂亲切接见了吴健雄夫妇。这次见面,周恩来总理的不凡谈吐、诚恳、大度给吴健雄留下了深刻的印象,她对科学和教育的许多看法也得到了周恩来总理的赞同,希望他们夫妇二人为祖国振兴,为祖国科学与教育事业做出贡献。
  自1973年访问中国大陆以后,吴健雄对祖国的责任感更加强烈。1977年吴健雄夫妇携儿子和儿媳再次回国探望,游览了祖国许多城市和名胜古迹,领略了祖国壮美的自然景观,并且回到了家乡太仓浏河,圆了自己数十年的思乡情,此后吴健雄多次回国访问和讲学。1982年在母校(现南京大学)开办了系统讲座,介绍β衰变、穆斯堡尔效应、弱相互作用下宇称不守恒等方面的课题;对北京正负电子对撞机、合肥同步辐射加速器等大型物理实验设备尤为关注,提出了很多宝贵的建议并亲自参加筹建工作。南京大学、中国科技大学和北京大学先后授予她荣誉博士称号,1994年吴健雄成为中国科学院第一届外籍院士。
  早年吴健雄的父亲吴仲裔创办了家乡明德学校,为了把明德学校办成全国一流的中学,1988年吴健雄捐资设立“纽约吴仲裔奖学基金会”,用于奖励明德学校品学兼优的学子和有突出贡献的优秀教师。1995年从美国英特尔公司购买30台电脑赠送给明德学校建立计算机中心。1997年吴健雄去世前留下遗愿,要为家乡的学校建一座科技大楼,丈夫袁家骝亲自回国将200多万元人民币捐献给了学校。吴健雄在美国工作生活多年,为科学事业奋斗了一生,在生命弥留之际,依然牵挂着祖国和家乡的科技与教育发展,吴健雄一生追求科学真理和她的爱国热忱将永载史册。
  1997年吴健雄在美国纽约因病去世,走完了她将近85年的人生历程。1997年4月6日吴健雄的骨灰在丈夫袁家骝陪伴下回到祖国,安葬在当年伴其读书的紫薇树下,明德学校师生怀着悲痛的心情挂起了长长的标语:“吴教授到家了,请走好。”李政道亲笔题写墓志铭并设计两个不对称石球作为标志物,以纪念吴健雄在宇称不守恒实验中的巨大贡献。中国科学院紫金山天文台发现并被命名为“吴健雄星”的2752号小行星,将在遥远的夜空静静地陪伴这位伟大的物理学家长眠家乡浏河之畔。
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