吴健雄的科学贡献和科学精神：从量子纠缠到宇称不守恒

作者| 施郁

本文内容基于作者去年在“纪念吴健雄先生诞辰110周年学术研讨会”（东南大学，2022.5.31）上的演讲，通过回顾吴健雄先生的科学贡献，学习和体会她的科学精神。文章重点讲述标题中所指明的两方面贡献，即量子纠缠和宇称不守恒。

1  吴健雄的学术生涯和研究工作概览

首先对吴健雄整个学术生涯的研究工作做个全面调研。

1.1 中国

1934年，吴健雄从国立中央大学本科毕业，毕业论文是《晶体中X射线布拉格衍射方程的验证》[1]，导师是施士元先生。在浙江大学物理系做了一年助教后，经系主任张绍忠推荐，来到上海的中央研究院物理研究所，在顾静徽指导下研究气体光谱[2]。

吴健雄的本科论文工作以及在上海一年的工作，作为她初步接触的物理领域，虽然都不是在核物理领域，但是与核物理中的放射性有很多相通的地方。施士元比吴健雄只大3岁，曾在居里夫人指导下从事核谱学研究，获得博士学位。这也是和吴健雄后来的β射线和核物理研究一脉相承的。顾静徽是中国第一个物理学女博士，在密歇根大学D.M.Dennison指导下研究光谱。

由于顾静徽的推荐和建议，吴健雄在叔叔的资助下，赴密歇根大学自费留学。江才健的《吴健雄传》记述，吴健雄赴密歇根途中，参观伯克利、特别是Ernest O.Lawrence的回旋加速器以后，印象深刻，就想留在伯克利。回旋加速器就是Lawrence发明的，所以这个地方当然是非常理想的留学之地。还有一个很重要的因素对吴健雄的决定也有很大影响，就是吴健雄很在乎男女平等，而当时密歇根大学还有一些性别歧视。另外，吴健雄也不希望整天与中国同学扎堆，而密歇根大学当时中国学生非常多。所以她留在了伯克利。

1.2 伯克利

我们再看看她在伯克利博士和博士后期间的工作。她的博士导师就是Lawrence，在Lawrence指导下，她职业生涯之初第一个发表的研究工作就是关于β衰变[3]。β衰变是，在弱相互作用主宰下，原子核中的中子转化为质子，放出电子和反中微子，这里的电子被称为β射线。吴健雄研究放射性铅发出的β射线所激发出的X射线。有趣的是，这部分的博士工作联系了她之前的本科论文工作和她职业生涯的主要领域β衰变，包括宇称不守恒实验。

然后她跟Emilio Segrè做了几年研究，于1940年博士毕业，然后继续留在那里跟着Segrè做了两年博士后。她是Segrè从意大利到美国以后的第一个学生。所以她名义上的博士导师是Lawrence，但是Segrè也是其导师。

在Segrè指导下，吴健雄的一个很重要的工作，也就是她的博士论文工作的另一部分，是研究铀裂变产生的氙的放射性，确认了氙的两个放射性同位素。1940年发表了两篇论文[4,5]，还有一些数据当时并没有发表，因为有保密的考虑。

当时积累的数据后来对曼哈顿计划发挥了很大的作用。曼哈顿计划是二战期间研制世界上第一颗原子弹的计划。当时发现，在核反应堆里，用铀产生钚，也产生氙，阻碍乃至停止链式反应，俗称“中毒”。费米等人发现，这是因为氙将中子吸收了，而链式反应需要大量中子，所以需要氙同位素对中子吸收方面的数据。Segrè告诉他们，吴健雄战前的工作获得了这些数据。后来用于广岛的钚弹的原料就是这些钚，所以吴健雄的数据起了很大作用。1945年，吴健雄和Segrè又用当年的实验结果发表了一篇论文[6]。

博士后期间，她还用回旋加速器产生中子，用来研究放射性的汞，这是跟Glenn T. Seaborg教授（后来获诺奖）的研究生Gerhart Friedlander合作的[7,8]。

1.3 战时工作

1942年博士后结束以后，吴健雄去了美国东部，做了两年教学工作，第一年在史密斯学院（女子学院，当时南希·里根正在那里学戏剧，5年后谢希德来这里读硕士，导师就是当初聘请吴健雄的Gladys Anslow [2]），第二年在普林斯顿大学给一批军官教了几个月书。得益于Lawrence（1939年获诺奖）的影响，吴健雄1944年加入了哥伦比亚大学，先是从事曼哈顿计划中的工作，战后就留在了哥伦比亚大学。

吴健雄所在部门的负责人John R. Dunning 是曼哈顿计划的重要人物，负责用气体扩散法分离铀同位素。天然铀是两种同位素235和238的混合，造铀弹要把所需要的同位素235分离出来。不过后来扔在长崎的铀弹原料是来自橡树岭实验室电磁分离出的铀235。Dunning有两个学生James Rainwater和William W. Havens Jr.，后来都在吴健雄之前成为哥伦比亚大学的教授，Rainwater还因为核结构的理论工作得到诺贝尔奖。这三人都是吴健雄的合作者。

他们对曼哈顿计划做出很大的贡献。但是因为战时工作是保密的，所以他们在战后1946年到1948年发表了一系列论文，一方面是关于氢和其他元素的慢中子效应，另一方面是以吴健雄为主研究的灵敏的放射性探测器来探测β射线，也就是电子,以及光子和其他粒子，这些经验对吴健雄后来的职业生涯有很深的影响。所以吴健雄除了战前获得的氙同位素的数据，对曼哈顿计划还有很大的直接贡献。

这些工作基本上是在战时做的工作，战后陆续将论文发表出来——还有一些延伸的工作。以前常被误会是战后开始的工作。

1.4 宇称革命之前的β衰变研究

战后，吴健雄也开始开辟新的领域，就是β衰变。她研究β衰变的物理，注重与理论的比较。在发现弱相互作用宇称不守恒之前，吴健雄就已经有好几十篇的β衰变的文章，以及与β衰变密切相关的论文，比如关于电子俘获，即原子核俘获电子，虽然不是β衰变，但与其密切相关。

吴健雄成为β衰变的顶尖专家，这个时期发表了50多篇β衰变论文。李政道先生曾经说过，在β衰变领域，没有人能够跟吴健雄相比[9]。不过她1952年才成为副教授[2],宇称不守恒发现之后才于1958年成为正教授[9]，这大概也反映了她受到不公正待遇。

这个时期，吴健雄的最重要的工作是验证了费米的β衰变理论[10]。这个理论是物理学史上一个伟大的理论，是费米最大的理论贡献，将量子电动力学推广到能量较低时的弱相互作用。从费米β衰变理论开始，量子场论从最初由Wigner和Pauli提出的形式理论，成为一个物理理论，使粒子的产生和湮没成为物理概念，最终成为粒子物理的理论框架。当时还有一些与费米β衰变理论竞争的理论，比如Konopinski和Uhlenbeck的理论。吴健雄发现，以前的验证实验做得不好，样品太厚。在她自己的实验中，将钴60（）附着在一个薄层上，她的实验非常仔细精巧，另外她有做仪器的经验和装配操作仪器的技能。这些都对她的工作起了很大的作用，这些长处也是她后来成功的很重要的因素。

用杨振宁先生的话说：“费米的理论被证明正确！吴成为β衰变实验领域的领头科学家！”[11]

1.5 正负电子湮没

在发现宇称不守恒之前的时期，吴健雄还有一些其他工作，数量相对少一点，是研究正负电子湮没。正负电子可以像质子和电子那样，形成一个类似原子的结构，叫正负电子偶素。正负电子碰到一起则发生湮没。

吴健雄在此方面的第一个工作，是与学生Irving Shaknov准确验证了量子电动力学的预言[12]。现在回过头来看，这个工作与目前物理学一个活跃领域密切相关，就是实现了光子偏振的量子纠缠。当初吴健雄和合作者做这个研究的时候，是为了验证量子电动力学的预言，但是事实上成了量子纠缠的先驱性工作。后文我会用一章专门谈这个工作。

1.6 宇称不守恒

当然，吴健雄最重要的工作是她和合作者1956年到1957年初做的宇称不守恒实验，被称为吴实验。1956年，杨振宁和李政道先生共同提出，弱相互作用中宇称有可能不守恒，并建议了几个实验[13]。其中一个建议是极化钴60原子核的衰变，这个建议的提出也受益于与吴健雄等人的讨论。

吴健雄与美国标准局的几位低温物理学家合作，完成了极化钴60原子核的衰变，发现宇称确实不守恒[14]，这当然是一次革命性突破。极化的意思是，自旋是确定的。宇称是否守恒在这里的表现是，衰变出的电子中，沿着和逆着原子核自旋方向的电子数目是否相等。吴实验发现不相等。

1.7 β衰变工作延续与矢量流守恒

在宇称革命之后，吴健雄又在β衰变方面继续耕耘了很多年，基本上是下面这些工作。

1957年她发表了一篇关于探测慢中子的气体闪烁计数器的论文。

然后，1960到1980年代，她继续在β衰变方面发表了好多工作，包括双β衰变方面开拓性的工作。双β衰变现在还是粒子物理的一个前沿，因为如果双β衰变里没有中微子的话，可以证明中微子是Majorana型的费米子（反粒子是自身，从而一个β衰变产生的中微子立即被另一个β衰变吸收），这到目前为止还没有结论，实验还在做。

这个时期，吴健雄在β衰变方面最重要的工作是，她和学生1963年验证的所谓矢量流守恒理论。

1956年杨振宁和李政道提出宇称不守恒的可能性，然后吴健雄领导的实验发现宇称确实不守恒。那么弱相互作用的理论究竟是什么样的？如何给出弱相互作用理论？怎么把费米的β衰变理论推广改进成一般的弱相互作用理论？当时有三组科学家提出矢量-轴矢量理论，也叫普适费米相互作用理论。其中一组是Feynman和Gell-Mann，他们的理论有一个关键的假设，叫做矢量流守恒，解释了不同弱衰变（比如β衰变和缪子衰变）的耦合常数是相等的。这是因为原子核中的质子和中子要重正化，会产生一些虚粒子，这些虚粒子也要参与弱相互作用，所以最后就使得矢量流是守恒的，导致β衰变跟缪子衰变的耦合常数是一样的。

Gell-Mann指出，矢量流守恒理论假设导致所谓弱磁，类似于量子电动力学中的质子跟中子的磁矩差，可以用和的衰变直接在实验上测量验证。但是他人的实验不成功。

1963年，吴健雄与学生Y.K. Lee和L.W. Mo完成了这样的实验[15]，证实了弱磁，从而验证了矢量流守恒，促进了电弱统一理论的建立。

吴健雄曾经总结：“弱相互作用的矢量流守恒得到了实验证实，成为当代强与弱作用的规范理论的指导原理，是矢量规范理论的必要后果。”[16] 吴健雄作为实验物理学家，站在前沿。

1.8 1970年之后的其他工作

吴健雄与时俱进，也做了很多其他工作。

1970年代时，吴健雄又回到正负电子湮没。以前她跟Shaknov的工作表现出量子纠缠。不等式提出以后，吴健雄和学生希望将当初的工作改成一个测试贝尔不等式的工作。

吴健雄还研究原子核定向的技术。1957年她领导的宇称不守恒实验中，很重要的一点，是把原子核极化，或者说，原子核要定向，即把自旋方向确定下来，这是通过低温技术实现的。后来吴健雄专门研究了这项技术及其在核物理中的应用，特别是用来研究核结构。

在1970年代后期，她还做了很多用Mössbauer效应研究血红蛋白或其他材料的工作。所以吴健雄也是生物物理领域的先驱。

七八十年代她还研究所谓奇异原子，这是用其他粒子，比如缪子、π子或其他介子来取代某个电子，研究它跟原子核的相互作用。吴健雄在这方面发表了很多文章。

吴健雄1975到1976年担任美国物理学会主席。在她的文章中，有一篇是她作为美国物理学会主席的离职演讲[17]。从中我们可以了解到，当时美国物理学家在做什么。核物理：通过电子散射了解原子核电荷分布；质子被原子核散射；原子核吸收π子而跃迁到转动高激发态；缪原子（一种奇异原子，用缪子代替原子中的一个电子）验证量子电动力学；核子散射中的宇称不守恒；重离子碰撞研究快速转动的原子核、核分解。宇宙线：可能的磁单极。同步辐射应用于生物学、固体物理、化学。生物物理：在蛋白质分子中加入重原子，X射线衍射；关于血红蛋白，同步辐射与哥伦比亚组的穆斯堡尔谱结果都揭示了各种情况的不同。固体物理：用缪子测量固体中的局域磁场。粒子物理：缪子的g-2实验检验轻子普适性；正负电子偶素；粲偶素（J/ψ）。

在上面提到的领域中，吴健雄组参与了奇异原子的研究；磁单极至今还没有找到；用穆斯堡尔谱研究血红蛋白是吴健雄组的结果；缪子的g-2实验检验轻子普适性是延续至今的一个研究领域，最近有一些进展；粲偶素（由粲夸克和反粲夸克组成）是丁肇中实验组和Richter组1974年发现的，分别命名为J和ψ，正式名称J/ψ，二人分享1976年诺贝尔物理学奖。

2  正负电子湮灭与量子纠缠

1946年，为了验证量子电动力学，John Wheeler建议研究正负电子偶素的湮没，探测产生的光子。湮没主要来自正负电子偶素的自旋单态，即总自旋为0的量子态，因此如果轨道角动量也为0，那么总角动量即为0，从而湮没所产生的相背运动的两个光子的线偏振方向必须互相正交。用今天的话说，这两个光子是量子纠缠的。

Wheeler考虑每个光子分别进入一个晶体，被电子散射，运动方向发生改变,然后分别被探测。每个光子被散射后的方向有各种可能性。Wheeler计算了两个光子的散射角（与散射前的方向的偏离）相等的情况下，散射方向垂直的概率与相同的概率之间的反对称性（二者之差除以二者之和）。非对称性既与散射角有关，也与两个光子的方位角差别有关。沃德（J. C. Ward）和普赖斯（M. Pryce）小组以及斯奈德（H. Snyder）、帕斯特纳克（S. Pasternack）和奥恩博斯特尔（J. Hornbostel）小组分别又做了仔细计算。

在吴健雄之前，已经有人做过实验，但是做得都不好。1950年，吴健雄和Shaknov的光子探测器的敏感度是别人的10倍，他们一锤定音，将实验做出来了，与理论值符合非常好[12]。实验结果说明两个光子确实是量子纠缠的，也就是说，这两个光子的量子态是一个整体，不能分成互相独立的各个光子的单独量子态。

1935年，爱因斯坦、波多尔斯基和罗森提出，量子力学不满足所谓的局域实在论。局域实在论类似于经典概率论，概率背后是有客观实在的，虽然我们不知道某些变量的取值。量子力学是不是也可以归结于这样的情形？爱因斯坦说不行。但是他觉得局域实在论总是成立的，不可能违反，所以他就说，量子力学有问题，还不是完备的理论。他们的论证用到了量子纠缠态，虽然他们没有用量子纠缠这个名词。他们论文发表后，薛定谔发明了量子纠缠这个名词。

1957年，也就是宇称不守恒被发现的那一年，David Bohm和他的学生Yakir Aharonov指出[18]，吴健雄和Shaknov的实验实现了光子偏振的纠缠态。Bohm和Aharonov用“关联”代表量子纠缠，证明了，如果光子不纠缠，就不可能出现吴健雄和Shaknov的实验结果。这就是为什么吴健雄的这项工作与量子纠缠关系很大。吴健雄和Shaknov的实验是第一次在实验上实现了一个明确的空间分离的量子纠缠态。

1960年代，John Bell提出局域实在论总是满足的一个不等式，后来被称作贝尔不等式（Bell inequality），而量子力学里的一些纠缠态，违反贝尔不等式，所以如果实验上证明贝尔不等式确实被违反，与量子力学一致，那说明局域实在论有问题。

为了检验贝尔不等式，实验装置需要满足一定的条件，两边测量的偏振方向，既不平行也不垂直。而吴健雄和Shaknov实验装置所测量的方向互相平行或者互相垂直，所以不能用来检验贝尔不等式。

1975年，吴健雄决定回到这个领域，和两个学生L. R. Kasday, J. D. Ullman测量两个光子既不平行也不垂直的情况，得到了实验结果[19]。但是这个结果是不是可以用来检验贝尔不等式呢？事实上，并不能用来检验不等式，因为这里对光子的探测是通过康普顿散射，而康普顿散射以后，光子的飞行方向与偏振方向并不是一一对应的，而是有一个概率分布的情况。但是实验结果展示了量子纠缠。如果做两个额外假设：(1) 偏振可以完美测量，(2) 康普顿散射的量子力学公式是正确的，那么实验结果与量子力学一致，而与贝尔不等式不一致。

后来研究纠缠光子是用低能的光子，可以直接用偏振片测量。而高能光子能将偏振片击穿。现在量子信息科学正在蓬勃发展，低能光子是一个主要的系统。

3  宇称不守恒

1956年，粒子物理前沿的一个谜团是θ-τ之谜。θ和τ是两种奇异粒子，质量和寿命都一样，似乎是同一种粒子，但是它们衰变过程不一样，分别衰变成2个和3个π子。每个粒子的宇称用1或-1代表。每个π子的宇称是-1，因此如果假设衰变过程中宇称守恒，可以推论，θ和τ的宇称分别是1和-1，不一样。所以有两个可能。一个可能是，两种粒子是同种粒子，但是宇称不守恒。另一个可能是，宇称守恒，这两种粒子不同，那么就很难理解它们质量和寿命完全一样。当时物理学界思想混乱，宇称是否守恒的概念也很笼统。

杨振宁（当时从普林斯顿高研院来到Brookhaven实验室长期访问）和李政道（在哥伦比亚大学）的想法如下[20,21]：将两种过程的宇称情况区分开来，一种是由强相互作用主宰的粒子产生过程，其中宇称确实是守恒的，另一种是由弱相互作用主宰的粒子衰变过程，其中宇称是否守恒需要核实；将θ-τ之谜扩展为一个弱相互作用普遍性问题，就是说是整个弱相互作用的问题，研究“宇称在强与电磁相互作用中守恒，但在弱相互作用中也许不守恒”的可能，这样也就可以通过研究其他的弱相互作用过程获得知识；如果弱相互作用是违反宇称守恒的，那么θ和τ就可以是同一种粒子，只是衰变成宇称不同的末态，那么θ-τ之谜就迎刃而解。他们将问题理出了头绪。

所以他们转而研究其他由弱相互作用主宰的系统。弱相互作用中研究得最多的过程就是β衰变，所以他们研究β衰变中宇称是否守恒。这是一个重大战略转移，对最后的胜利起到关键作用。

首先，很自然的，他们去检查以前关于β衰变的实验，有没有确定宇称是否守恒。他们做了具体的理论计算：在弱相互作用中，在宇称守恒的项上，加上宇称不守恒的项，然后计算以前的实验观测量，代表性的是衰变发出的电子的分布。

李政道与吴健雄同在哥伦比亚大学物理系，因此去和她交谈，吴健雄借给李政道K. Siegbahn编的β衰变文集。而杨振宁1950年和Jayme Tiomno合作研究过β衰变，经验和结果都派上用场，后来这篇李政道-杨振宁文章引用了杨振宁-Tiomno文章。

杨振宁和李政道的计算表明，不论宇称是否守恒，都不影响以前的实验结果，因此这些实验结果不能作为宇称是否守恒的证据。后来他们领悟到，原因是，以前实验上测量的都是标量，在空间反演下总是保持不变，而不涉及赝标量，所以以前的实验没有真正检验宇称是否守恒；如果实验上测量赝标量，空间反演下是否不变就取决于宇称是否守恒了，这就是实验需要检验的。

他们注意到，有一个赝标量是螺旋度，是某个动量在某个自旋方向的分量的平均值。如果宇称守恒，螺旋度为0；如果宇称不守恒，螺旋度不为0，他们也意识到，一个简单的验证方法是，对于一个自旋给定的原子核（叫做极化原子核），测量它β衰变向上发出的电子与向下发出的电子是不是一样多。

Maurice Goldhaber(在Brookhaven实验室)和吴健雄都建议，用极化钴60原子核，因为前几年牛津大学的一个低温物理研究组用低温技术实现了极化。吴健雄做此建议，也因为她对这项技术已经关注了几年，而钴60的自旋性质不会导致衰变时降低可能的非对称性[22]。

所以极化钴60成了杨振宁和李政道的论文里面讨论的一个可能的实验系统。他们还讨论了介子和超子作为可能的实验系统。首先，宇称不守恒会给Λ超子带来电偶极矩。第二，考虑π子撞击质子，产生Λ超子，然后Λ超子衰变成π子和质子，用入射π子、Λ超子和产物π子这三个粒子的动量构成三重积，是赝标量，测量这个赝标量取值范围是不是对称的，就可以检验宇称是否守恒。第三，考虑π衰变为μ，再衰变为电子，如果宇称不守恒，μ的自旋多半沿着运动方向，从而类似极化原子核，电子的分布也就不对称。

吴健雄建议用极化钴60后，立即想到，这个实验对于一个β衰变实验家来说，是一个黄金机会，不应该放弃，即使实验做出来后，宇称是守恒的，也是有意义的，它给出一个宇称破坏的上限，停止对它的猜想。她还觉得，自己必须在物理学界其他人意识到重要性之前，立即做这个实验。为此她放弃了原定的参加日内瓦的国际会议，然后回远东的旅行计划，即使这本来将是她离开中国20年后第一次回去。

然后她就开始准备实验。首先是新版的核数据改变了钴60的自旋，意味着并不像她原来考虑的适合用来检验宇称是否守恒。她与助手通过实验，确定了新版的自旋是不对的，原来的是对的。这也反映了吴健雄的科学精神，不人云亦云。她还向本系的低温组学习低温技术。

这个实验有两个难点。一是要将电子探测器放在液氮温区的低温恒温器中，一是要将钴60放在一个表面层，在足够的时间内保持极化。极化的原理是低温下，较弱的磁场使得顺磁晶体中的电子沿某个方向排列，从而通过超精细相互作用，使得原子核的自旋确定在这个方向。

1956年6月4日，吴健雄打电话给华盛顿的国家标准局的Ernest Ambler，邀请他合作，Amber热心地接受。几年前，牛津大学的Nicholas Kurti领导的低温物理小组实现钴60的低温极化时，论文第一作者正是Ambler，他是Kurti的研究生。

6至7月，吴健雄测试β探测器，考虑了很多技术问题。

李政道和杨振宁的论文6月22日投稿。

7月24日，吴健雄再次致电Ambler。几天后Ambler寄来低温恒温器的粗略图，然后去度假两周。8月，吴健雄又研究磁场对β计数的效应、β粒子被CMN晶体的散射。

9月中旬，吴健雄去华盛顿的国家标准局，第一次与Ambler会面，R. P. Hudson、R. W. Hayward、D. D. Hoppes也加入合作。Hudson也是Kurti的学生。吴健雄第三次去标准局时，带去两个带有钴60的CMN晶体。后来大量的CMN晶体都由吴健雄和助手在哥伦比亚大学生长出的。

12月中旬，合作组首次看到很大的非对称信号，就是说，向上和向下发出来的电子数目大不一样。

但是吴健雄认为，在对外宣布前，需要做系统的核实，排除其他因素。某个周四，在哥伦比亚物理楼经过李政道办公室时，遇到李政道和杨振宁，被问起实验情况，告诉他们效应很大，而且可重复，但是交代只是初步结果。一周后，合作组开始排除其他可能因素。

圣诞夜，大雪中，吴健雄从华盛顿坐火车抵达纽约，打电话给李政道，告诉非对称参数几乎达到-1，也就是说，绝大部分电子都向与钴60极化方向相反的方向运动。

这个结果说明中微子二分量理论的正确，也就是说，中微子总是左旋，反中微子总是右旋。李政道和杨振宁在夏天已经做了宇称不守恒前提下的中微子二分量理论，但是没有投稿，因为实验上还不知道宇称是否守恒。现在他们将此文章投出，1月10日收稿[23]。另一方面，根据李政道、Reinhard Oehme和杨振宁三人刚完成的关于3种分立对称性（宇称、时间反演、电荷共轭，即正反粒子）的分析，吴实验发现的那么大的宇称非对称性也说明电荷共轭对称也是违反的。他们三人的理论文章 1月7日收稿[24]。因此，吴实验不仅发现了宇称确实不守恒，还推动了李政道和杨振宁的理论工作。

前面提到，杨振宁和李政道的文章里，还建议了用π衰变为μ，再衰变为电子这样的衰变过程（π-μ-e），宇称不守恒就导致电子的分布也不对称。哥伦比亚大学的Nevis实验室经常产生这个过程。杨振宁在Brookhaven遇到Nevis实验室的Leon M. Lederman时，建议他用之检验宇称，Lederman开玩笑说，如果有一个聪明的研究生奴隶，他就回去做[20]。

圣诞假期期间，吴实验的信息已经不胫而走。1957年1月4日，李政道在例行的周五同事午餐会上透露，吴实验的效应很大。当晚，Lederman与Richard L. Garwin、Marcel Weinrich立即开始实验。实验很简单，结果很明确。8号凌晨6:00，Lederman打电话给李政道：“宇称定律已死。”[25]

现在出现了一个危机，吴实验推进了李杨理论，引发了π-μ-e实验，但是吴实验本身结论还没有完成最后确认！1月2日到9日，是合作组最紧张的阶段。

Garwin-Lederman-Weinrich结果已出，虽然吴健雄不是很开心，但是合作组仍然不松懈，直到排除其他因素，完全确认结果。9号2:00庆祝宇称破坏。

11日上午，在哥伦比亚大学物理楼831房间，吴健雄、Garwin、Lederman、Weinrich、李政道、杨振宁做了一次讨论。

1月15日, 哥伦比亚大学召集了新闻发布会，哥伦比亚大学物理系元老I. Rabi主持，两个实验组全体成员和李政道参加。两个组的论文同时投稿。2月15日背靠背同时发表，吴组的文章在前。次日纽约时报头条报道。

弱相互作用中宇称不守恒是由吴健雄小组发现的。Garwin-Lederman-Weinrich实验是在知道吴健雄的结果以后才做的。另外，芝加哥大学的Valentine Telegdi从夏天开始独立进行π-μ-e实验，但是进行很慢，在知道有关吴健雄实验和Garwin-Lederman-Weinrich实验的消息后，匆忙投稿，结果有问题，迟了一期才发表。

杨振宁和李政道经具体计算发现, 以前并没有实验证明在弱相互作用中宇称是否守恒，并指出几类弱相互作用关键性实验，以测试弱相互作用中宇称是否守恒。但是他们并没有说宇称一定守恒或者不守恒，事实上他们当时也提出了宇称守恒框架下的宇称双重态来解决θ-τ之谜。宇称是否守恒需要实验裁定。

长期以来，宇称守恒有着直觉吸引力，被当作自然、神圣的，而且非常有用，特别是在核物理方面。因此杨振宁和李政道的论文受到普遍的轻视、异议乃至嘲弄[26]。

但是吴健雄决定做钴60的β衰变实验，这需要极大的勇气。用杨先生的话说，吴健雄独具慧眼。如果李政道-杨振宁论文对宇称是否守恒给出明确的理论预言，那么反而会有很多人抢做实验。

吴健雄最初决定去做这个实验，以及Garwain-Lederman-Weinrich 实验结果出来后吴健雄坚持继续对吴实验完成核实，都体现出吴健雄的伟大。

吴实验证明此过程中宇称确实不守恒，引起整个物理学界的巨大震荡，成为20世纪物理学最重要的实验之一。

James W. Cronin(因发现电荷共轭-宇称联合不守恒而获得1980年诺奖)曾说: “吴健雄的伟大发现开启了粒子物理的黄金时代。”吴健雄没有获得诺贝尔奖是诺贝尔奖的失误和遗憾。当然，这个伟大发现的缘起是杨振宁和李政道的开创性理论工作。

我在南京大学读书的时候，有幸听过吴健雄作为校友的演讲，还记得当时的情景，她用英文单词ball来描述一个球，现在想来，大概她谈到钴60原子核。

4  吴健雄：伟大的实验物理学家

我们可以总结出吴健雄的一些特质：聪慧、沉静、勤奋、努力、专注、不畏困难，献身科学。她做到了儿时听她父亲所说：“不怕困难、埋首努力、前行不止”。

正如杨振宁所说，“吴健雄以实验精准著称”。这有中国女性特长的成分，更是科学精神的体现。希望这一点能鼓励更多的女性投身科学。

她的研究领域和成就与她的多年积累和专长密切相关。她重视发展实验技术和仪器，又重视物理意义，掌握重要理论，并用实验验证理论。她从学生时代一直就工作在相关领域，特别是β衰变。

她的实验工作有重大理论意义，如验证费米的β衰变理论、量子电动力学对光子符合的预言、宇称不守恒、矢量流守恒，双β衰变，说明她一直追踪当时的前沿理论。

无论是要证伪还是证实某个重要理论，她都去做，认为即使常识上似乎是显然的，如果缺少实验证据，就值得去做。

我认为最可贵的一点是：将科学严谨置于竞争和荣誉之上。这充分表现了她的科学精神。她是有竞争心的，但是即使优先权和功劳面临危险，却仍然要规范在科学的严谨性之下。在优先权和功劳面临危机时，别人已经得到非常清楚的实验结果时，还要坚持仔细核实自己的结果。这是非常可贵的。事实上，宇称不守恒的吴实验虽然在发表上受到尊重，但独创性确实受损。这也是她失去诺奖的重要因素之一。如果不存在Garwin-Lederman-Weinrich实验,她有极大可能分享诺奖，未获诺奖的诸种原因就难以起作用。

前面引用了杨振宁对吴健雄的评价，那段话是杨振宁先生1997年4月为吴健雄85周岁所写，全文是：“吴健雄的工作以精准著称于世，但是她的成功还有更重要的原因：一九五六年大家不肯做测试宇称守恒的实验，为什么她肯去做此困难的工作呢？因为她独具慧眼，认为宇称守恒即使不被推翻，此一基本定律也应被测试。这是她的过人之处。”

后来，杨振宁又写过：“我曾经说过科学研究要成功，有三个必要的条件：眼光、坚持、动力。吴健雄是三者具备。她的关于宇称不守恒的实验进行起来困难非常之多，《吴健雄传》的第九章生动地描述了她如何坚持，与如何以动力克服了种种困难。而最重要的是她的眼光：当时许多别的一流物理学家都认为这么困难的实验，做出来只不过是再证明宇称确实是守恒，不值得去做。可是她‘独具慧眼’，认为在弱相互作用中宇称守恒不守恒过去既未被人研究过，那么不论结果如何，这就是值得做的实验。这是她眼光过人的地方。”[27]

李政道说：“她是20世纪最杰出的物理学家之一，在实验物理学研究上取得了伟大的成就，对当代物理学的发展起了极重要的推进作用。”[9]

李政道还说：“爱因斯坦曾写过这样一段话：‘我们不要只记得她对人类工作上的贡献。比起她纯学识上的成功而言，她在道德上、人格上的崇高品质对将来、对历史的作用更为重要……她的力量、她的愿望的单纯……她的科学客观的认识，她的坚忍不拔，这些优秀品格每一样都难能可贵，而集中在一个人身上更是非常非常难得的……一旦她认定了一条路是正确的，她就坚决地走下去，绝不改变。’我认为，我们怀念吴健雄，把爱因斯坦称赞居里夫人的话用在她身上是再恰当不过了。”[9]

吴健雄的科学人生处于20世纪中国和世界历史背景中。吴健雄的老师Segrè说（杨振宁演讲中引述过）：“这三位中国物理学家（注：指吴健雄、杨振宁、李政道）显示未来中国对物理学的贡献可以多大，如果这个伟大的国家度过革命骚乱的时期，回到以前欧洲旅行者惊讶目睹到的文明领袖之一的角色。”[28]

参考文献

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[25] L. Lederman, The God Particle, Houghton Mifflin Harcourt (January 1, 1993).

[26] 施郁.物理学之美：杨振宁的13项重要科学贡献，物理 43(1),57-62 (2014).

[27] 杨振宁(著). 翁帆(编译). 曙光集，八方文化，2008.

[28] E. Segrè, From X-rays to Quarks: Modern Physicists and Their Discoveries,Dover2007.

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