秋高气爽的季节,哥伦比亚大学校园里安逸而静谧。红枫点点,金叶飘飘,绿草萋萋。在高大的红杉树掩映下,雪白的教授住宅巍峨而典雅。在纽约曼哈顿市市区中的这块“世外桃源”,静谧中有激荡,安逸中有战斗,处处都充满着生机。
此时,在著名华裔女科学家吴健雄家里,女主人正在忙着打点行装:出门要穿的、旅行要带的,生活必用的、讲课须备的,都井井有条地准备好了。原来她要和丈夫袁家骝教授进行一次愉快而又轻松的日内瓦、远东之行。袁家骝教授也是著名的实验物理学家,在美国布鲁克海文国家实验室工作。这次远行一来要应邀进行巡回讲学,二来也访友观光轻松轻松。
夕阳愉快地斜洒在茶几沙发和地上的行装上,想到能在紧张的实验室工作之余,忙里偷闲轻松个把月,吴健雄、袁家骝夫妇心里格外惬意,像是要去度蜜月,沉浸在无比的幸福和向往之中。
“铃……”急促的、不协调的电话铃声打破了室内的宁静。
“是吴大姐吗?”李政道浓重的上海腔从话筒里传了出来。
“你好!政道小弟!”和李政道同生在长江口的吴健雄也是满口的上海话。
同是在异国他乡,老乡之情就更胜一筹,所以平时吴健雄和李政道两人一交谈就说家乡话。在周围满是英语的世界里,就别提有多亲热了。
“吴大姐,有件大事请您帮忙,侬不要走,阿拉就到!”电话戛然而断。
近来,李政道和杨振宁关于宇称守恒理论研究的情况,已经沸沸扬扬传遍了整个校园。此时政道小弟来找自己,吴健雄不用猜也知道,准是离不开宇称守恒。她遗憾地看了看坐在对面的丈夫,又看了看地上整整齐齐的行装,已经预感到这次欧洲之行就要泡汤。
刺耳的电话铃声打破了沉静,也搅乱了他们精心安排的,幸福的旅行,就像上天有意安排,让吴健雄抛开安逸投入战斗;就像命里注定,让她在打破宇称守恒的重大发现上,重重地画上关键的一笔;让她为炎黄子孙第一次登上诺贝尔奖坛——做出华裔女科学家必不可少的贡献。
比李政道大14岁的吴健雄是江苏太仓人,她的家乡浏河镇最靠近长江入海口,郑和七下西洋都是从这里起航的。吴健雄的父亲吴仲裔,早年曾参加过讨伐袁世凯的斗争;母亲樊复华,则是积极提倡男女平等的女权活动家。吴仲裔积极支持夫人樊复华的事业,一起在家乡创办了明德女子职业补习学校。他们有二子一女:长子健英,女儿健雄,次子健豪。给子女起了如此响亮的名字,无非是希望他们的孩子无论是男是女,都成为英雄豪杰。
1923年,吴健雄11岁,以优异成绩考上了设在苏州的江苏第二女子师范学校。这所学校环境幽雅、师资雄厚。然而美中不足的是学校只开国文、艺术等文科课程,却没有数学、物理等理科。文静而聪慧的吴健雄,文科功底好,她的作文曾得过老师“眼高于顶,笔大如椽”的美誉。然而谁也不会想到,这位看来文文静静,聪明漂亮的女孩,即非同寻常地想学物理、数学,越是学不到,越是想得很。一天,她央求她的妈妈,说什么也要给她想个办法。“既然师范没有理科,我就想办法给你办一个理科!”历来爽快的母亲,一口答应了爱女的请求。说办就办,第二天一早,妈妈就到上海给女儿“办理科”去了。利索快当的妈妈理科办得很奇特:她既没有给小健雄请家庭教师,也没有为小健雄办什么转学手续,而是跑遍了大大小小的书店,买来了一大摞有趣味的数理化教材和相关的参考资料。当小姑娘从慈爱的妈妈手里接过这些可爱的书籍,高兴得跳了起来。就这样,小姑娘吴健雄靠母亲买来的这套书,开始了在自然科学大海中的遨游。
1929年秋,吴健雄考入了国立中央大学(即南京大学的前身)数学系,一年之后转入物理系就读。当时在中央大学,女生少得可怜,全校仅有100多人,而在理学院就读到毕业的更是寥寥无几。学校里有些女生整天热衷于谈情说爱,在玄武湖边卿卿我我,学业无甚长进,风流韵事却不少。在江南水乡长大的吴健雄,不仅容貌出众,而且才华过人,自然受到不少男同学的倾慕。每当收到求爱信,她都婉言谢绝。为了不受干扰,静心学习,吴健雄在女生宿舍楼后面的平房中找了一间狭窄的,仅能容下一榻一桌一椅的小房。在这令她十分满意的小天地里,吴健雄刻苦地学习。即使逢年过节她也舍不得回趟家,或去南京叔叔家玩,而是忘情地在图书馆读书或到实验室去钻研……后来,她以毕业考试总平均分86.3分的优异成绩毕业,是470名毕业生中当之无愧的佼佼者,年仅22岁就获得理学学士学位。
1936年吴健雄远离祖国,自费到大洋彼岸的美国去深造,在加利福尼亚大学攻读物理。当时她的导师劳伦斯(E.O.Lawrence,1901—1958,著名原子物理学家,因发明和发展回旋加速器以及使用加速器所取得的成果,特别是有关人工放射性元素方面的成果,而获得1939年诺贝尔物理学奖)曾劝告她学点音乐、艺术,不必学习枯燥的原子物理理论,担心吴健雄会像其他女孩子那样有始无终。但勤奋自强的吴健雄毫不动摇,而是更加刻苦地学习。她整日沉浸于知识的汪洋大海之中,常常因学得入迷而忘了吃饭。
事实证明,她的学业超过了许多男生。劳伦斯教授真是口服心服,既佩服她的刻苦勤奋,更赞赏她的聪明过人,欣然收下这位“高足”。
1940年,吴健雄获博士学位,并被母校聘为研究助理,在劳伦斯教授主持的放射试验所工作。后来她先后执教于美国的史密斯学院、普林斯顿大学,又被哥伦比亚大学邀请参加了著名的“曼哈顿计划”。由于她完成了许多重要科研工作,进行了多项重大发明,因而在科学界有很高的声誉。
吴健雄的爱人袁家骝,是袁世凯次子袁克文的儿子。他是在燕京大学毕业后,赴美国留学的博士,也是一位颇有建树的实验物理学家。1942年,他们在美国结婚。吴健雄曾风趣地对丈夫袁家骝说:“我父亲早年是讨伐袁世凯的积极分子,他的女儿却和袁世凯的孙子结成百年之好,这真是历史的误会!”
门外传来了敲门声,吴健雄赶紧打开了房门……满头大汗的李政道急匆匆地走了进来。“吴大姐……袁教授!”还没坐稳,李政道就从皮包里拿出了一大堆材料,一边喘着粗气,一边迫不及待地说:“快帮帮忙!”一抬眼,李政道看见了沙发前面的行装,抱歉地问:“你们要出门了?”“没关系,接着说!”安逸和善的吴大姐,递上一杯橘子汁给这位不速之客。他们虽是华裔学者,同在一个学校工作,但由于工作都忙,彼此很少有时间在一起闲聊。然而他们的心彼此是相连的,不管谁有难处,都能鼎力相助。“‘θ—τ之谜’搞得物理学界一片沸腾”,李政道一反平时的温文尔雅,无拘无束地挥着手说,“我和振宁做了理论上的分析,认为弱相互作用下宇称也许根本就不守恒,但关键是需要实验的验证。这是我们的论文,这是我们的实验设想。”李政道一边说着,一边把一大堆材料一股脑地交到吴健雄手中,恳切地对她说:“大姐,这个实验非你莫属了!”
翻阅着这些材料,吴健雄很快被这两位年轻人的设想和理论上的创见吸引了,她的脑海里迅速地设想着实验的可能性……宇称守恒,这个被物理学界奉为金科玉律的定律,如今自己的同胞要推翻它,这可是非同一般的大事情……要抢在别人之前把实验做出来才有意义,不过这个实验难度可不小,β衰变需要低温,哥伦比亚大学的实验条件不行,如果去求别人,这可真不好办呀!
她埋头和李政道用家乡话谈了起来,不时地用笔在纸上画着,讨论着。“政道小弟”,尽管李政道是已经结过婚的物理博士,可吴健雄还是这样亲切地称呼他,“只要你们信得过我,我就着手做这个实验!”
一直在一旁的袁家骝教授,他太了解自己的妻子了!看着自己温柔文雅的妻子一下子变成了摩拳擦掌随时准备冲锋陷阵的战士,他深深地知道,不知又要有多少不眠之夜在等待着他……袁教授悄悄拿起了电话,通知航空公司,取消了他们去欧洲之行的机票。
晚秋的纽约,已是秋风萧瑟,而这几天吴健雄教授却忙得满头大汗。根据杨振宁、李政道的实验设想,她已经干净利落地开始了实验前的准备工作。由于实验需要在绝对温度0.01K(即-272.99℃)的低温下,使放射核的自旋获得一致的取向,这就需要有高水平的低温设备和高水平的低温技术专家。哥伦比亚大学不具备这样的条件,吴健雄就四处奔波,积极寻找合适的合作者。
当时,华盛顿美国国家标准局的安布勒正在研究放射性核60钴的低温取向问题。吴健雄得知后十分高兴,但仍有一丝忧虑,因为在美国寻找合作者并非容易。安布勒先生也是一名著名的低温专家,不知他是否愿意放下自己手头的研究工作,把设备腾出来,帮助她去做一项还在被人怀疑的实验。
吴健雄亲自赶到华盛顿,直接找到了安布勒,极力向他讲述了这个实验的重大意义,请求他的支持。吴健雄教授的远见卓识和对科学的忘我热情,打动了安布勒先生,他当即答应协助吴健雄做这个实验,并同意把实验设备搬到条件较好的国家标准局的实验室去。
吴健雄领导的实验小组,迅速投入了战斗,除了安布勒以外,还有赫德森、海华德和霍普斯先生,他们在低温实验或核物理实验上,都有一手自己的绝活。
吴健雄领导的这个实验小组所用的实验方法,就是李政道、杨振宁他们在论文中提出的“概率法”:
“选择某种有本征自旋的原子核,并且它们是放射高速电子进行β衰变的。设法使一束这样的核都具有相同的自旋方向,例如说,从上面往下看它们都是顺时针自旋的。然后,对向上发射和向下发射的电子进行计数。”
如果向上和向下的计数相等,那么宇称守恒,这是因为从镜像来看,向下的发射相当于在负坐标系中的向上的发射,上下计数相等,正好表明β射线的空间分布是不变的;反之,如果上下计数不相等,则表明β射线的空间分布是变化的,即宇称不守恒。
这个实验的基本原理虽然十分简单,但实验本身的实施却万分困难。它要求把两种高级实验技术结合起来,以便精确观测放射性核所发射的高速电子,另一方向要精通低温物理学,以便获得与绝对零度仅差1%度那样的极低温度。因为物理的热能,也就是原子随机运动的能量,会扰乱自旋的一致方向,只有把物体冷却到几乎是绝对零度的地步 ,原子核自旋的轴,才能指向某一给定的方向。
在20世纪50年代中期,只有唯一的办法,即用绝热法去磁法,来取得这样的低温,人们称之为“磁冷”法。具体原理是这样的:某些复盐被放入强磁场中时,它们会被磁化,并在磁化的同时放出热量;反过来,当把外界磁场减弱或撤去时,它们就吸热。利用这个原理,就可以在外加磁场之后,再使这些盐类与外界周围环境绝热,再撤去磁场,盐的温度就会降低。
但是在使用绝热去磁法之前,必须先要获得一个初始低温,这个温度大约高于绝对零度1K,即-272℃左右。然而要得到这个温度就已经很困难了。要用强力真空泵抽走液氦的蒸气,使液氦在低压下沸腾才能得到-272℃这样的低温。而这时液态氦本身已是“超流体”,要把它禁锢起来是相当困难的。
素以严谨著称的吴健雄,对每一个细微的细节都不放过;时刻关心实验进程的李政道、杨振宁,更是常常泡在吴健雄那里。三个人一起反复考虑实验中可能出现的各种情况以及相应的解决方案,因为实验中的哪怕是一个极微小的纰漏,都有可能导致重大的失误。
实验一天天准备成熟,圣诞节也一天天临近。节日前的华盛顿,车水马龙、灯火辉煌,是一年之中最繁华最热闹的时刻。然而近在咫尺的吴健雄的实验室里,却与热闹、繁华无缘,在整整100天的实验日子里,吴健雄竟一步也没有离开过实验室。
1956年12月27日,对实验小组来说是个不寻常的日子。这一天清晨,刚刚度过了圣诞节狂欢之夜的人们,还在酣睡中。日夜奋战在实验室的吴健雄早早就起来了。几个月的实验,更令她牵肠挂肚,睡不安宁。她悄悄穿上衣服,生怕惊醒了别人,她知道大家都太累了。她独自一人泡上杯牛奶,便躲进了实验室。今天是关键的一天,她感到异常兴奋。
前几天,实验几经反复,遇到了重重困难。作冷却用的低温小室,开始是用金属做的;为了取得更好的效果,改成用玻璃来制造,但在实验中又出现了漏气现象;不久玻璃冷却小室又被砸破……然而久经考验的吴健雄,越是在紧要关头,越是沉着冷静。她深深知道,自己的情绪是会影响其他人的。一边喝着牛奶,一边品味着这些天的工作,她深为自己这些助手的精神所感动。他们和自己以前都不是深交,仅仅是为了做这个前所未有的实验才走到一起来的。可是为了实验的成功,他们连圣诞节都没有回家与亲人团聚,和自己一起在这里挨冻,多么好的同事啊!
“铃……”急促的电话铃声打断了吴健雄的思路,这也是惯于早起的李政道打来的。从实验一开始,他们之间就几乎天天通电话。
“现在是基本就绪了,就看上帝的安排了。”
吴健雄倚在实验室的转椅上,轻声细语地说着。
“大姐,圣诞节我特地为你们买了个小礼品,但我没敢送去,我想我们是虔诚的,上帝会向着我们的。”
李政道真真假假地开起了玩笑。
实验组的人都起来了,安布勒胡子长长的,几个月都没刮了。他说非等实验成功的那一天,他才去刮胡子。
望着其他几个人,一个个全都熬红了双眼,吴健雄真不忍心叫他们马上就干,可一切准备就绪,眼看实验成功在即,她又恨不得立即开始工作,便说:“咱们是再休息一会儿,还是立即开始?”
“哈罗!吴,”霍普斯笑着说,
“您什么时候做几样中国菜让我们尝尝,就足够了!”
他挥了挥手诚谐地说,“我们来这里可是为了吃您的中国菜,欣赏您的手艺的!”
“哈……”大家都开心地笑开了。
“这很容易,等实验干完,我亲自下厨为各位先生煮几道我们家乡的好菜,保证各位不虚此行!”
好像菜的香味已经飘出来了,大家此时的兴致特别高,几天来的疲劳一打而光。于是紧张的实验又开始了。
大家各就各位,准备开始工作。吴健雄走到每个人身边,叮嘱大家检查好各种仪器,她自己则紧张地注视着计数器。
实验开始了,计数器快速显示,吴健雄仔细地查看着每个由计算机打出来的曲线。随着时间的推移,发射速率越来越趋于稳定,与原来的设想是吻合的。紧接着,她沉着地下了命令:“改变磁场方向。”
全体人员的双眼都紧紧地盯着计数器,实验室里只听得见机器的声音。
改变磁场后,如果开始的时候曲线是重合的,就说明正、反方向的磁场对β衰变过程的影响是等效的,就说明宇称在最开始弱相互作用下是守恒的,如果初始曲线不重合,则说明实验证实了弱相互作用下,宇称不守恒。整个实验就期待着这个结果。
计数器的荧光液晶数字显示器闪烁着、跳跃着,全组人员十几只眼睛都盯着显示器,紧张得心都要跳了出来。
实验的数值曲线终于打出来了,显示器的数字和实验曲线准确无误地表明:实验成功了!
实验室里一片寂静,只听到彼此的呼吸声。
吴健雄两眼盯着显示屏,深深吸了一口气,大声说道:“再来一次!”
重复实验的结果,与前一次完全一样。实验结果再一次准确无误地证明了:在弱相互作用下,宇称不守恒。
准备了100多天的实验最终只进行了20秒钟,就这样胜利完成了!
梦寐以求的结果就这样得到了!
安布勒拿起一杯香槟酒,递给了吴健雄,实验组全体人员都举起了杯子,似乎想说什么,但又什么也说不出来……
大家都感到眼睛湿漉漉的,嗓子眼好像被噎住了。
突然,吴健雄想起了什么,她一转身,对身边的一位小姐说:
“快!快打电话!告诉李、杨!”
成功的消息直奔哥伦比亚大学,李政道激动得完全像个孩子:“太好了!谢谢!太感谢您了,我的好大姐!感谢全组的女士和先生们!”
此的杨振宁两眼泛出了喜悦的泪花,他紧紧地,紧紧地握着李政道的手,久久,久久,才说了一句话;
“真太不容易了!”
吴健雄小组的实验结果表明,宇称守恒定律在弱相互作用中被否定了。杨振宁、李政道的理论终于被证实了。这一新的理论对于宇宙的构造,以及较小物质的构造的研究有什么重要的意义,当时科学界尚无法估量。大多数科学家都对此十分关注。
美国著名物理学家杰里夫·伯恩斯坦认为,这是“战后整个物理学上最令人惊奇和激动的事,是科学史上的一个转折点。”有的人认为这一重大发现使“物理学因之进入了一个新纪元。”有的人则惊叹:“一个相当完整的理论体系从根本上被摧毁了,我们不晓得怎样再把碎片重新建立起来。”
物理学家莱得曼和范因利希当时正在哥伦比亚大学新建奈难斯实验室中用回旋加速器研究μ介子的某些性质,当他们得知吴健雄小组的实验结果后,马上意识到他们有条件完成一个检验李、杨理论的实验。
他们在李、杨提出的μ介子实验方式的基础上,通过自己的实验仪器进行实验,结果也证实了μ介子在弱相互作用下宇称是不守恒的。不久,物理学家弗里德和特莱格迪在芝加哥用照相乳胶的方法,也确定了μ介子的衰变中宇称不守恒。至此,在弱相互作用下宇称不守恒已成定论。
1957年1月15日,在哥伦比亚大学物理系举行了一次大型记者招待会,会上向世界宣布,宇称守恒定律这一物理学中的基本定律,在弱相互作用下予以推翻!
第二天,《纽约时报》头版刊登了宇称不守恒的新闻,著名物理学家奥本海默在给杨振宁、李政道的回电中说:“终于找到了走出黑屋子的门!”
1月30日,美国物理学会在纽约召开一年一度的盛大年会,2月2日,年会为宇称不守恒这个专题举行了半天的特别讨论会。参加会议的人数创下了美国物理学会史上的最高纪录。会上吴健雄、杨振宁等作了报告,许多与会专家认为,参加这个会议,有一种亲睹科学历史转折点的感受。
然而,由于缺乏取得重大惊人成果的思想准备,在重大发现面前失之交臂的,却大有人在。
早在李政道、杨振宁取得这一成果的前一两年,大物理学家朗道的研究生曾写一篇探讨在弱相互作用下宇称不守恒的文章,被朗道斥为“开玩笑”。这位研究生出于对朗道的崇拜,而放弃了这一想法,因而他失去了一次发现的机会。
更早以前,在1928年,美国物理学家考克斯在β衰变中观察到了宇称不守恒现象。他把衰变电子用于双散射实验,曾经观察到某种不对称现象,指明最初的电子产生了极化。这本来应该说已经和宇称守恒发生了矛盾。但考克斯对宇称守恒定律深信不疑,便改用不极化的热电子重复做了实验。由于改用了热电子,第一次看到的可贵的现象也就没有了。他还以为第一次实验是出现了误差,让发现的机会从身边溜走了,也使这一发现整整推迟了30年。
国际诺贝尔评奖委员会发来了通知,由于杨振宁、李政道一起提出在弱相互作用下宇称不守恒,从而使基本粒子研究获得重大发展而共同获得1957年诺贝尔物理学奖金。听到这个消息,李政道、杨振宁欣喜若狂。要知道,诺贝尔奖在人们心目中是享有崇高地位的,每一个科学家都把能获得这一奖励当作极其崇高的荣誉。
李政道、杨振宁这次获奖的时间,距他们发表《弱相互作用中宇称守恒问题》这篇论文的时间,仅仅一年多一点;而吴健雄的实验证实,也不过是年初的事情。能在这么短的时间内就受到国际物理学界的承认,并获得诺贝尔奖,这在诺贝尔奖史上是罕见的。这说明华人的智慧是超群的。
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