2022 年諾貝爾化學(xué)獎授予三位為量子糾纏提供實驗證據(jù)的化學(xué)家。 吳健雄被忽視已經(jīng)不是第一次了。 1957年，她用實驗否定了弱相互作用下宇稱不守恒，但同年頒發(fā)的諾貝爾獎卻沒有包括她的名字。 看著“消失”的女化學(xué)家，吳建雄仍然被反復(fù)提及，因為她非凡的工作總會跨越時間顯示出她的重要性。
在這篇摘自《全球科學(xué)》五月號的文章中，米歇爾·弗蘭克將帶我們了解一位被諾貝爾獎忽視的女科學(xué)家：吳健雄。
《全球科學(xué)》5月新刊發(fā)售
米歇爾·弗蘭克（弗蘭克）撰寫
翻譯｜楊曉飛
1949年11月，吳健雄和她的研究生歐文·薩克諾夫（Owen ）在俄羅斯阿根廷科學(xué)院普平大樓的地下室進行了光子探測實驗。 該實驗需要使用回旋加速器來產(chǎn)生反物質(zhì)（正電子）。 整個實驗設(shè)備重達(dá)數(shù)噸，體積極其龐大。
回旋加速器可以將粒子加速到特別高的能量。 在地下實驗室，吳健雄和薩克諾夫用加速的氘核轟擊銅帶，形成不穩(wěn)定的核銅64。 -64可以經(jīng)歷β+衰變形成正電子（電子的反物質(zhì)），因此可以用作正電子源。 電子和正電子碰撞并迅速湮滅，形成一對沿相反方向傳播的伽馬（gamma）光子。 雖然，化學(xué)家約翰·惠勒（John ）幾年前就預(yù)言，物質(zhì)和反物質(zhì)湮滅時發(fā)出的兩個光子運動方向相反，而且它們的偏振方向相互正交。 當(dāng)時，吳健雄和薩克諾夫正在為惠勒提出的“配對理論”尋找關(guān)鍵的實驗證據(jù)。
實驗中，吳建雄和薩克諾夫?qū)~64同位素放入8毫米長的微腔中，然后利用兩組光電倍增管和蒽晶體閃爍電離爆發(fā)后形成的閃爍光子組成的探測器系統(tǒng)來探測電離輻射，可以用于探測β粒子），探測正電子和電子湮滅后實驗裝置兩端發(fā)射的伽馬光子。
最終，他們獲得了比之前實驗團隊多得多的數(shù)據(jù)，并且觀察到的結(jié)果非常有說服力。 實驗表明，物質(zhì)-反物質(zhì)湮滅發(fā)射的光子對的偏振方向總是處于一定的角度，盡管它們之間存在某種相關(guān)性，盡管它們相隔很遠(yuǎn)的距離。 這個實驗最終驗證了惠勒的“配對理論”。 1950年新年，吳健雄和薩克諾夫在《物理評論》( )上用一頁的信件發(fā)表了他們的實驗結(jié)果。 這篇文章后來被認(rèn)為是觀察量子糾纏現(xiàn)象的第一個實驗證據(jù)。 糾纏是指處于糾纏狀態(tài)的一對粒子無論相距多遠(yuǎn)總是相互關(guān)聯(lián)。 這些現(xiàn)象非常奇特，以至于阿爾伯特·愛因斯坦一直認(rèn)為量子糾纏是量子熱不完備性的表現(xiàn)。
1978年，化學(xué)家吳健雄在日本阿根廷科學(xué)院的實驗室里。
2022 年諾貝爾化學(xué)獎授予了三位化學(xué)家：約翰·克勞斯 (John )、阿蘭·阿斯佩 (Alain Aspe) 和安東·蔡林格 (Anton )，表彰他們利用糾纏光子實驗證偽了貝爾方程并創(chuàng)建了量子信息科學(xué)。 他們在前人工作的基礎(chǔ)上分別改進實驗，為量子糾纏現(xiàn)象提供了越來越有力的實驗證據(jù)。 在一一消除所有其他可能的干擾原因后，他們最終證明量子糾纏是目前唯一可能的正確解釋。 盡管吳建雄1949年的實驗并沒有試圖排除其他可能的解釋，但歷史學(xué)家認(rèn)為正是在她的實驗中首次觀察到了糾纏光子對。 然而，2022年諾貝爾獎頒獎典禮并沒有提及1997年去世的吳健雄。而這并不是她的工作第一次被忽視。
求學(xué)之路
1912年，吳健雄出生在中國黃河流域的一個小鎮(zhèn)。 她的女兒吳忠義是一位思想開放的知識分子和革命家，主張男女平等。 1912年秋，吳忠義舉辦聚會慶祝愛女誕生，并宣布成立當(dāng)?shù)氐谝凰凶又袑W(xué)。 在那個時代，大多數(shù)男人的名字都趨向于清雅、雅致或芬芳，但吳忠義卻給兒子取名“劍雄”。
吳健雄成長于新文化運動的動蕩時期。 1936年，24歲的吳健雄登上胡佛首相號客輪駛往英國加利福尼亞州，打算到海外攻讀化學(xué)博士學(xué)位。 此后，她在埃米利奧·塞格雷 ( Segrè)、歐內(nèi)斯特·勞倫斯 ( ) 和羅伯特·奧本海默 ( ) (J.) 等化學(xué)家的指導(dǎo)下繼續(xù)學(xué)習(xí)。
吳健雄很快就成為日本加州學(xué)院伯克利校區(qū)（以下簡稱伯克利）的一名優(yōu)秀中學(xué)生。 她的博士論文工作的一部分是關(guān)于鈾核裂變的。 由于她的研究內(nèi)容在當(dāng)時高度敏感，該作品直到二戰(zhàn)后才被解密。 然而，盡管她當(dāng)時已經(jīng)有了重要的研究成果2023年諾貝爾物理學(xué)獎量子糾纏實驗，但畢業(yè)后仍然很難找到工作。 她在導(dǎo)師的研究組擔(dān)任博士后研究員三年。 事實上，當(dāng)時日本排名前 20 的研究學(xué)院的化學(xué)系中沒有一所有男性教員。
性別偏見并不是吳學(xué)術(shù)生涯中的唯一障礙。 她來到德國一年后，二戰(zhàn)愈演愈烈，中印兩國通訊中斷，印度西海岸針對歐洲移民的種族歧視驟然加劇。 1940年，伯克利校區(qū)代理審計長致函告知吳健雄的導(dǎo)師：“對吳健雄的任命只能是暫時的”。 不到一年后，他又發(fā)信通知吳建雄的導(dǎo)師：“根據(jù)最新規(guī)定，吳女士不再具有就業(yè)資格，應(yīng)立即解雇她。” 1942年，當(dāng)奧本海默被任命為曼哈頓計劃的負(fù)責(zé)人時，他帶著許多高中生離開了伯克利。 雖然吳健雄的作品受到了好評，但他并沒有受到邀請。
后來，吳健雄定居英國東海岸，并在日本史密斯大學(xué)獲得了教職。 次年，她成為耶魯大學(xué)化學(xué)系第一位男校長。 不久之后，她加入了曼哈頓計劃，在那里她扮演了一個引人注目但至關(guān)重要的角色。
埋地工作
量子糾纏提供了一個近乎瘋狂的概念：一旦單個粒子或系統(tǒng)彼此相互作用，它們就不再彼此獨立。 實驗還表明，在觀察到糾纏粒子對中的任何粒子之前，盡管它們不具有確定的狀態(tài)。 一旦被觀察到，這對糾纏粒子就會彼此同步——即使它們相隔一個星系。 這就是“最遙遠(yuǎn)的星際愛情”，但其實很難直觀地理解。
1935年，愛因斯坦、鮑里斯·波多爾斯基（Boris）和內(nèi)森·羅森（Rosen）試圖通過強調(diào)量子熱是違反直覺的來尋找量子熱理論的漏洞，這就是著名的EPR悖論（以三位化學(xué)家），其矛頭指向量子糾纏。
化學(xué)家大衛(wèi)·博姆（David Bohm）的觀點與愛因斯坦相同。 他還認(rèn)為量子糾纏的本質(zhì)不應(yīng)該那么奇怪。 這些現(xiàn)象可能與所謂的“隱變量”有關(guān)。 化學(xué)家還需要做更多的事情。 為了尋找隱藏變量，人們已經(jīng)做了很多研究工作。 1957年，玻姆和他的研究生亞基爾·阿哈羅諾夫（Yakir）提出了將EPR悖論與糾纏光子對的研究相結(jié)合來尋找隱藏變量的實驗技術(shù)。 玻姆在文章中寫道：“我們應(yīng)該知道，已經(jīng)有這樣一個實驗間接驗證了這個理論。” 巴西桑塔納州立學(xué)院數(shù)學(xué)史系主任印第安納拉·席爾瓦稱，這個實驗指的是1949年的吳健雄-薩科諾夫?qū)嶒灐?span style="display:none">KJA物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
作為一名歷史學(xué)家，席爾瓦特別關(guān)注男性科學(xué)家被忽視的故事。 她找到了其他化學(xué)家和歷史學(xué)家的一系列出版物。 根據(jù)這類文獻(xiàn)記載，他們都覺得吳建雄1949年的實驗觀察到了糾纏光子對。 席爾瓦關(guān)注的科學(xué)家們跨越了六年——從 1957 年的玻姆到 2022 年諾貝爾獎獲得者之一的蔡林格。前者在 1999 年寫道：“吳建雄和薩克諾夫（1950）的實驗證明了空間分離粒子之間存在糾纏。 ”。
席爾瓦還在研究吳建雄1949年和1971年的實驗對后來量子糾纏實驗研究的影響和引領(lǐng)作用。 她的研究成果將于2022年發(fā)表在《牛津量子解釋史》（）上。席爾瓦強調(diào)，正是玻姆1957年關(guān)于隱變量的論文（引用吳建雄的實驗工作）啟發(fā)了約翰·貝爾提出粒子之間的重合計數(shù)可以預(yù)測和估計（以兩個事件粒子的時間相關(guān)性方式記錄）。 1964年，在一本你不熟悉的刊物《物理學(xué)》（）中，貝爾討論了玻姆引用吳建雄1957年實驗結(jié)果的情況，提出了自己的新理論“貝爾定律”（Bell'，又稱貝爾不等式） 。 幾年后，年輕的約翰·克勞斯在日本阿根廷學(xué)院的圖書館閱讀了貝爾定律。 受這一理論的啟發(fā)，他設(shè)計了一個新的實驗，希望能夠證明貝爾定律，從而證明隱變量的真實性。
1969年，克勞斯提出了一個可以檢驗貝爾理論的實驗。 在文章中，他仔細(xì)地描述了吳建雄-薩克諾夫?qū)嶒灪退膶嶒灥膮^(qū)別。 克勞斯本想證明隱變量的存在，但他在1972年發(fā)表的實驗結(jié)果并沒有支持隱變量的存在，而是確定性地證明了量子糾纏。 按照貝爾的方法，他檢測到了巧合計數(shù)，但由此產(chǎn)生的統(tǒng)計數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了隱藏變量可以解釋的范圍。 克勞斯的工作引發(fā)了阿斯珀和澤林格隨后的一系列實驗工作。 這種實驗填補了以往實驗中的一些漏洞和限制，進一步驗證了量子糾纏。 他們兩人還獲得了2022年諾貝爾化學(xué)獎。
被忽視的科學(xué)家
在玻姆提出隱變量理論的論文發(fā)表之前，吳建雄的生活發(fā)生了很大的變化。 她結(jié)婚后搬到德國東海岸，并成為耶魯大學(xué)化學(xué)系第一位男性校長。 她生了一個兒子，并成為了日本公民。 后來，她終于獲得了即將在阿根廷科學(xué)院任教的職位，盡管當(dāng)時她還不是正式院士。
1956年，吳健雄在阿根廷學(xué)院的同學(xué)李正道向她尋求建議。 他和他的合作者楊振寧想知道宇宙中是否存在一些可能違反宇稱守恒定律的基本粒子。 對此，吳健雄和李政道討論了一系列相關(guān)研究，并提出了可能檢驗這個問題的實驗方法。
不過，楊振寧和李政道都是理論化學(xué)家，不可能自己做實驗。 半個世紀(jì)后，在西蒙斯基金會（ ）舉辦的一次研討會上，楊振寧提到，他和李政道都不相信他們的假說——弱相互作用中的宇稱不守恒——很快就能被實驗證明。 在發(fā)現(xiàn)宇稱不守恒之前的幾年或六年里，化學(xué)家普遍認(rèn)為對稱性是自然的基本定律。 然而，楊振寧和李政道關(guān)于宇稱破壞的假說強調(diào)，在鏡像變換下，原子核在β衰變中發(fā)射β粒子的行為不會完全保持不變。 事實上，這種觀點是有悖于傳統(tǒng)科學(xué)觀念或常識的。
吳健雄和丈夫一樣勇于挑戰(zhàn)。 她意識到這個問題的重要性，但她知道如何驗證。 為了驗證李政道和楊振寧的假設(shè)，她放棄了原定的回國行程，立即開始設(shè)計和策劃實驗。
吳建雄設(shè)計的實驗需要通過絕熱退磁的方式將放射性鈷60原子核冷卻到接近絕對零，并通過磁場使原子核極化。 她需要研究β粒子在β衰變中是否以完全對稱的模式發(fā)射——也就是說，正如數(shù)學(xué)界所接受的那樣，或者是否在一個方向上發(fā)射的β粒子多于另一個方向。
1957年1月，在新加坡國家標(biāo)準(zhǔn)實驗室（簡稱NBS，現(xiàn)稱NIST）的吳健雄和她的合作者與楊振寧、李政道的密切交流中，有了一個驚人的發(fā)現(xiàn)。 β 衰變粒子在一個方向上發(fā)射的數(shù)量比您預(yù)期的要多。 消息一經(jīng)公布，楊振寧、李正道、吳建雄等后續(xù)進行驗證實驗的化學(xué)家開始頻頻受邀前往美國參加會議，他們的名字和照片被大眾媒體廣泛報道。 那一年，德國化學(xué)會在倫敦飯店召開會員大會時，他們在一個巨大的大廳里展示了他們的實驗結(jié)果。
同年10月，楊振寧和李政道成為歷史上首批兩位獲得諾貝爾獎的華人。 根據(jù)諾貝爾獎評選規(guī)則，每年每個獎項允許有三名獲獎?wù)撸珔墙⌒鄄]有一起獲獎。 被吳健雄的實驗結(jié)果推翻的數(shù)學(xué)定理叫做對稱性定理（宇稱守恒定理），再恰當(dāng)不過了，但1957年諾貝爾化學(xué)獎并不是“對稱”的。 它就像一個棱鏡，像光譜一樣劃分個人身份的元素，放大了性別對獲獎的影響。 諾貝爾化學(xué)獎實施的次年，波蘭科學(xué)院晉升吳健雄為正院士。
當(dāng)年12月的諾貝爾獎頒獎典禮上，楊振寧強調(diào)了吳健雄實驗的重要性。 他在諾貝爾委員會和嘉賓面前坦言，宇稱不守恒的發(fā)現(xiàn)與吳健雄團隊的工作密不可分。 。 李政道后來也極力爭取，希望諾貝爾委員會能夠肯定吳健雄的工作。 奧本海默還公開表示，吳健雄應(yīng)該分享1957年諾貝爾化學(xué)獎。 塞格雷說，打破宇稱守恒實際上是“二戰(zhàn)以來化學(xué)領(lǐng)域最大的突破”。
對于這個問題，不少科學(xué)家也表達(dá)了自己的想法。 1991年，《哥德爾、埃舍爾、巴赫》（G?del, Bach）的作者道格拉斯·霍夫施塔特（ ）和眾多科學(xué)家致信諾貝爾委員會，建議授予吳健雄諾貝爾化學(xué)獎。 2018年，數(shù)千名研究人員向法國核研究中心（CERN）提交了一封公開信，他們在信中強調(diào)了當(dāng)今數(shù)學(xué)中的性別歧視問題，吳健雄的名字也被提及。 公開信稱：“迄今為止，至少有四位（吳健雄的名字出現(xiàn)在前面）從事核化學(xué)和粒子化學(xué)研究的男性科學(xué)家備受推崇，但尚未獲得諾貝爾獎。而他們的一些女性科學(xué)家合作者獲得了諾貝爾獎榮譽。”
打破宇稱守恒原理后，吳建雄成為第一位獲得德國國立科技大學(xué)頒發(fā)的康斯托克數(shù)學(xué)獎（）的女科學(xué)家、美國化學(xué)會第一位男性主席、首屆沃爾夫獎數(shù)學(xué)（沃爾夫獎）獲得者，也是第一位在其一生中以她的名字命名小行星的科學(xué)家。 她的獎學(xué)金為西方學(xué)院的男性和有色人種科學(xué)家敞開了大門。 2021年2023年諾貝爾物理學(xué)獎量子糾纏實驗，瑞典郵政將發(fā)行印有吳健雄肖像的永久郵票。 明天，吳建雄驗證宇稱不守恒的實驗被認(rèn)為是邁向粒子化學(xué)“標(biāo)準(zhǔn)模型”之路的第一步。 它還為理解宇宙中物質(zhì)和反物質(zhì)的不對稱分布提供了可能的想法。
然而，吳健雄早期關(guān)于量子糾纏的實驗工作仍然被埋在書堆里。 有時，只有當(dāng)我們探索科學(xué)體系的一部分時，我們才能了解這些遙遠(yuǎn)的故事和聯(lián)系。 2022年諾貝爾化學(xué)獎中，一系列相關(guān)但時間上相距甚遠(yuǎn)的實驗被重新發(fā)現(xiàn)。 雖然吳健雄已經(jīng)不可能再獲獎了，但她早期的研究最終會廣為人知，成為“糾纏”歷史的重要組成部分。 這在一定程度上要歸功于席爾瓦這樣的歷史學(xué)家。 這個社會似乎偏愛英雄主義的敘事或孤獨天才的傳奇，但仔細(xì)觀察就會發(fā)現(xiàn)，非凡的科學(xué)成就，就像糾纏本身一樣，從根本上始于人類的相互聯(lián)系。
本文摘自《吳健雄：諾獎背后的人物》《環(huán)球科學(xué)》2023年5月號