物理学家吴健雄：华人女性中第一位有重大世界性影响的女科学家

1957年, 对全世界的华人来说, 是具有特殊意义的一年。两位华人物理学家——李政道、杨振宁——以他们革命性的贡献得到了这一年的诺贝尔物理学奖。这是华人科学家首次获得这种奖励。

李、杨获奖的原因是众所周知的。

1954年至1956年间, 在对最轻的奇异粒子(即后来称为K介子的粒子)衰变过程的研究中, 人们发现, 有一种粒子衰变成两个π介子, 称为θ介子;另一种粒子衰变成三个π介子, 称为τ介子。精确的测量表明θ与τ具有相同的质量、寿命、电荷等性质, 是同一种粒子。但是, 从角动量和宇称守恒的要求看, θ与τ不可能是同一种粒子。

一时间, 这一疑难困扰着物理学界, 成为热门的“θ-τ之谜” 。

大多数物理学家认为这是两个不同粒子, 只是它们的怪异之处还无法解释。一直关注着这个问题的李政道、杨振宁到1956年春天想法有了突破。

他们怀疑：是不是物理学家一直相信，也的确从来没有出现过困难的“宇称守恒定律”在弱作用下不一定管用？

如果这个假定成立, 那就可以把θ、τ看作是同一种粒子的两种不同的衰变模型。这样谜题就解开了。于是, 他们从这一方面着手, 检索了大量的理论文献和实验资料。

他们吃惊地发现, 到那时为止, 所有已经做过的实验都没有证明过弱相互作用中宇称是否守恒, 都与弱作用下宇称是否守恒问题无关,而整个物理学界竟然没有人注意到这个情况。到6月, 他们完成了关于这个问题的一篇论文。

李、杨论文的题目是《弱相互作用中宇称守恒的探讨》, 发表在1956年10月1日出版的《物理评论》第104卷第1期第254页至258页。 没有任何迹象表明编辑部特别重视这篇稿子。 整篇论文的内容, 就是极其简明的论文摘要概括了的两句话:“β衰变和超子与介子衰变中的宇称守恒问题已被检查过。建议了在这些相互作用中可以测试宇称守恒的可能的实验。”

遗憾的是, 并没有多少人响应他们的建议。因为从来没有人做过这样的实验, 而且实验的条件和要求也很复杂。

只有一个人为之心神不宁。这个人就是吴健雄。

吴健雄对宇称问题原本并未很在意, 在李政道第一次向她介绍他与杨振宁研究的这个问题时, 她就感到了问题的重要性。在为李政道、杨振宁的构想提供参考意见的几次讨论后, 她决定立即着手李、杨建议的实验中的第一项实验。

创造科学革命的宇称不守恒实验装置

几个月之后, 她和国家标准局的科学家安伯勒(E .Ambler)等合作的实验完成了, 得到了明确的结果, 从而肯定了李、杨对弱作用中宇称是否守恒的质疑, 探明了“宇称守恒定律 ”不适用的范围, 促成了一场“对称性革命” 。

2.选择什么样的物理学实验是对实验物理学家眼力、品位和能力的检验

吴健雄是第一个看出了李、杨宇称质疑的深刻意义、第一个组织实验进行探查、第一个发现宇称在弱作用下不守恒的实验物理学家。

物理学定律是不分左右的, 这是自从近代物理学创立以来一直毫无疑问的“基本原理” 。这样一种观念牢牢地占据了物理学家的头脑, 宇称不守恒根本不能进入他们的视野。当时在物理学前沿有影响的物理学家, 都不相信宇称会出现不守恒的情况。

费曼、布洛赫、泡利对李、杨的质疑都很不以为然。在吴健雄之后接任美国物理学会会长的阮姆西当时曾想做这个实验, 但经费曼一说, 未能坚持。

与吴健雄同在哥伦比亚大学物理系的低温物理学家加尔文 (R.Garwin)在得知吴健雄的实验结果后, 曾很快做出了李、杨建议的另一组实验, 当初吴健雄曾争取他的合作, 但由于他并不看好这个课题, 忙着他认为更重要的工作去了。

物理学杂志上有着各种各样的实验构想, 实验物理学家既受到本身知识、经验的限制, 又受到实验设备、实验经费等条件的牵扯, 只有确信自己所要做的实验的意义, 才能投入人力物力财力去做这项工作。

杨振宁说:“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:1956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。”

吴健雄做物理实验向来以精确著称

3. 一个值得从物理学史的角度认真研究的问题

现在的人们(包括许多物理学家和科学史专家)往往单说李、杨“发现了弱相互作用下的宇称不守恒” , 如果同时讲到李、杨、吴, 则说李、杨“发现” , 吴等“证明了李、杨的发现” 。可以肯定地说, 这两样说法都很有商榷的余地。

杨振宁后来回忆当时的情况, 说:“在那个时候, 我并没有押宝在宇称不守恒上, 李政道也没有, 我也不知道有任何人押宝在宇称不守恒上。”

还有一种相当流行的说法是:“李、杨提出了宇称在弱相互作用中不守恒的原理, 吴健雄等的实验证明这个原理是正确的” 。

应该怎样看待在这场物理学革命中由李、杨与吴健雄分别代表的理论和实验两方面不同的地位？

实际上, 这里是“一系列过程”, 其中最关键的是两项紧密相关而又应该有所区别的发现。

李、杨从θ-τ问题, 深入到弱作用中的宇称问题, 通过研究发现：弱作用中的宇称守恒没有证据。这是一个发现, 发现了问题和解决问题的方向与途径。

吴健雄率先组织实验探测弱作用中宇称情况, 发现弱作用中宇称是不守恒的。这是另一个发现, 发现了人类从未见过、也从未检查过的自然现象(自然规律)。

这两项紧密相关而又有所区别的发现, 打开了物理学的新视野, 促成了人对自然认识的一个根本性变革。我们是不是应该把宇称在弱相互作用中不守恒的发现称之为“李-杨-吴宇称发现”，这样或许对这场物理学史上堪称革命的事件在理论与实验两方面的贡献, 更为公允和客观。

“李-杨-吴宇称发现”深刻地改变了我们原先对自然的看法, 对物理学产生了重大而深远的影响。没有“李-杨-吴宇称发现” , 就不会有弱矢量流守恒定律的发现, 也就不会有弱作用与电磁作用统一的发现。这些都已为物理学后来的发展所证明。

“李-杨-吴宇称发现”是华人科学家第一次在纯科学中产生轰动世界的影响, 它对于改变华人在世界科学发展史上的地位和形象, 具有重大的历史意义。中华民族的历史, 将永远记得他们的伟大贡献。

4.她的贡献,可以与许多一流物理学家相比较

吴健雄一生的工作主要在β衰变上。她使β衰变成为“最敏感、最实际和最有力的” , “研究弱相互作用的探测手段” , “一次又一次地对研究弱相互作用起了重要作用。”

她有十五项重要的科学工作, 包括:

(1)关于轫致辐射和核裂变研究(1938);

(2)β谱的形状(1946);

(3)宇称不守恒;

(4)矢量流守恒假设(1962-1964);

(5)双β衰变和轻子守恒(1970);

(6)第二类流CVC理论(1977);

(7)放射性和能级图;

(8)奇特原子;

(9)穆斯堡尔谱学及其应用;

(10)湮没量子的本征宇称;

(11)康普顿散射湮没光子的角作用和隐变量;

(12)血红蛋白;

(13)正电子偶;

(14)粒子探测和仪器;

(15) 超低温核物理, 等等。

吴健雄时代的物理学发现, 即使是高级知识分子, 如果不做物理学研究, 也所知不多，就是想了解, 也不那么容易。所以对于吴健雄的物理学贡献, 一般人是没有什么概念的。

加州理工学院的诺贝尔奖获得者福勒(William A.Fowler)观察后说:“她的β衰变研究最重要的是不可思议的精密度, 我们的实验室也做同一领域的研究, 她比我们做得好……那些想重复她的实验以及与她竞争的人, 发现她总是对的。”

吴健雄的工作是物理学史中不可忽略的里程碑

5.她是同时代华人女性科学家的杰出代表,是中华民族永远的骄傲

女性接受科学方面的高等教育并进入到学术界, 在世界历史上都是比较晚的事情。

法国在1861年, 英国在1878年, 意大利在1885年, 开始允许女性进入大学学习。但直到19世纪末20世纪初, 女性进入高等教育仍有很大困难。

很能说明问题的一个例子是, 艾米·诺特尔(Emmy Noether)——一个帮爱因斯坦相对论和抽象代数学建立了数学基础的伟大的女数学家, 她坚持读完了大学, 并取得了博士学位。但是她仍然不能谋到任何一种学术职位。非常赏识诺特尔的大卫·希尔伯特(爱因斯坦的引力理论的作用量的发现者), 在1915年邀请她加入他们在哥廷根的工作。他试图为她争取到无偿讲课的权利, 但没有成功。开课的申请被当局以“与法律不相宜的要求”为由而拒绝了。在1908年通过的一项条例规定, 只有男人才有开课的权利。在教务会上, 希尔伯特愤怒地责问:“这是大学, 还是澡堂?” 。1918年, 妇女的法律地位得到改善。经过教务会组织的口试, 诺特尔终于获得讲课的权利。

在中国, 女性受教育的权利是在19世纪末被提上日程的。

1897年, 梁启超作《倡设女学堂启》指出, 办女学堂, 使女子接受教育, 这样, “上可相夫, 下可教子, 近可宜家, 远可善种。妇道既昌, 千室良善” 。

整整十年后, 梁启超作《学部奏定女子师范学堂章程折》 , 向朝庭报告说:“京外臣工条奏请办女学堂者, 不止一人一次。……且近来京外官商士民创立女学堂, 所在多有。”提出制订章程加以规范。

1919年3月, 国民政府教育部发布的《全国教育计划书》提出, 在北京筹设一所女子高等师范学校, 以应时势之需, 以后再在各省择要增设。

1920年夏, 南京高等师范学校在中国大学历史上首开女禁, 招收正式女生8名、旁听生50名, 与男生同堂学习, 引起社会轰动。

从这里可以看到, 单就时间来说, 在中国, 女性进入高等教育领域比西方晚不了多少。但是, 由于实际的社会发展程度、经济发展程度的落后, 女性受教育的普遍程度与西方比, 有非常大的差距。

对于华人来说, 产生世界性的科学影响是以接受西方科学教育为前提的。华人女性出国留学到20世纪初始有记录。

吴健雄1930年进入国立中央大学(南高师是其前身)读书, 1934 年毕业。正是在这个中国现代女子高等教育的重要发源地之一, 她得到了当时国内最好的高等教育。毕业以后先到浙江大学做了一年助教;后到上海, 进入设在亚尔培路的中央研究院物理研究所, 在我国第一代海外留学归来的女博士顾静徽女士领导下从事光谱学研究。1936 年, 吴健雄赴美留学, 她应该算作华人女子向海外求学的第二代了。

女子海外求学的第一代人中除了物理学家顾静徽, 还有革命家秋瑾, 文学家陈衡哲(1921年时的东南大学的第一位、也是全国唯一一位华人女教授)等。第一代女子在海外接受了高等教育, 回到国内, 或投身革命, 推动了中国社会的进步;或进入了大学和学术界, 起了传播薪火的作用。

在吴健雄这一代华人女性科学家中, 产生了一批有影响的物理学人物。

其中有代表性的, 可以举出:

王明贞(1906- );

何泽慧(1914- );

王承书(1912-1994);

周如松(1912-);

陆士嘉(1911-1986);

林兰英(1918-2003);

谢希德(1921-2000)等。

与她们同时代或稍晚些的其他领域的女科学家:

化学家 黄量(1920- );

地质学家 池际尚(1917-1994);

地层古生物学家 郝诒纯(1920- );

天文学家 叶叔华(1927- );

计算机科学家 夏培肃(1923- );

我国妇幼卫生事业的拓荒者 杨崇瑞(1891-1983);

护理事业的开拓者 聂毓禅(1903- );

世界著名妇产科学家 林巧稚(1901-1983);

儿童少年卫生学家、医学教育家 叶恭绍(1908-1998)等等。

与这些杰出女性相比, 吴健雄的贡献和影响更具有世界性质, 因为她长期工作在20世纪的世界科学中心。

当1936年吴健雄赴美留学时, 奥本海默等一批美国青年学者从欧洲学成归国, 科学的重心开始向美国转移。随后, 由于第二次世界大战对欧洲的影响, 爱因斯坦、费米等一大批欧洲科学家移居美国, 正式确立了美国在世界科学中的中心地位。在这一过程中, 吴健雄开疆拓土, 独领一方。

40年代她即成为β衰变实验方面享有国际声誉的一流专家。

50年代她与李政道、杨振宁完成了宇称发现。

60年代她组织了矢量流守恒实验。

70年代她当选为美国物理学会会长, 与密立根、康普顿、奥本海默、拉比、费米等一样成为物理学的一代旗手。

由于吴健雄的出色的物理学工作, 她被普林斯顿大学和哈佛大学等20多所著名高校授予荣誉博士学位或聘为荣誉教授, 获得了包括美国国家科学勋章和沃尔夫奖在内的四十多项奖励, 与居里夫人、莉斯· 迈特纳、玛丽·梅耶等科学女性一道, 被物理学界公认为是人类历史上最杰出的女性物理学家。

在中华民族的历史上, 有许多杰出的女性, 相对说来, 女科学家比较少, 而产生世界性影响的女科学家更少, 产生重大世界性影响的女科学家则少之又少。吴健雄是华人女性中第一位有重大世界性影响的女科学家, 是华人女性的杰出代表, 值得我们自豪和纪念。