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宣布宇称守恒被推翻的新闻发布会 1957年1月15日，在美国哥伦比亚大学浦品物理实验室818房间，哥伦比亚大学物理系召开一个新闻发布会，宣布物理学的一个基本定律——宇称守恒定律被推翻了。前排为李政道（右一）和吴健雄（右二），后排左起为美国国家标准局的安布勒（E.Ambler）、赫德森(R.P.Hudson)和霍普斯（D.D.Hoppes）。 

    李政道和杨振宁先生因推翻宇称守恒定律而获得诺贝尔奖已经过去整整50年了。当年，在李政道先生的提议下，吴健雄和她的合作者，用自己的实验证实了李政道和杨振宁的论断。
   
    吴健雄（1912-1997），被誉为世界最杰出的女性物理学家、核物理女皇、中国的居里夫人，她早年毕业于中央大学，上世纪30年代赴美留学，后曾参与“曼哈顿计划”，与“原子弹之父”奥本海默共事。她获得了除诺贝尔奖以外的很多重大科学奖项，是诸多诺贝尔奖得主推崇的传奇人物。
   
    本刊发表的是吴健雄的一篇自述，它叙述了当年那个著名实验的感人故事。

“我们推翻了宇称守恒定律”

作者：吴健雄 来源：文汇报

    1956年早春的一天，李政道教授来到浦品物理实验室第13层楼我的小办公室，他向我提出一连串关于β衰变的实验现况问题。他先向我解释了τ－θ之谜，以及它如何引起在弱衰变中宇称是否守恒的问题，然后说，如果τ－θ之谜的答案是宇称不守恒，那么这种破坏在极化核的β衰变的空间分布中也应该观察到。
   
    在那个时候，人们不但认为在所有相互作用中宇称当然是守恒的，而且还用这个未经检验的观念来劝阻别人做任何检验的实验，更不用说向这一观念的挑战了。
   
    在李教授离开我的办公室之前，我问他，是否有人有过做这类实验的想法。他说，有人建议过用核反应所产生的极化核或者用核反应堆所产生的极化慢中子来做实验。不知道为什么，我十分怀疑那两种实验的可行性。我建议最好的途径是用通过退磁方法得到的极化60Coβ源，其极化度可高达65%。李教授对于可以达到这样强的极化度的60Coβ源的可能性十分感兴趣，他向我借了一本有关这种方法的参考书。
   
下决心去做
   
    在李教授的访问之后，我把事情从头到尾想了一遍。对于一个从事β衰变物理的学者说来，去做这种至关重要的实验，真是一个宝贵的机会，我怎么能放弃这个机会呢？即使实验结果显示在β衰变中宇称是守恒的，其结果至少可以给出宇称破缺的一个上限，从而人们不必再去做宇称是否守恒的研究。
   
    作为一个实验物理学家，我在两个方面面临以前没有过并且是艰巨的挑战。一个是把β探测器安装在一个液氦低温恒温器内而能正常工作；另一个是将β放射源铺在一个薄的表面上，可以被极化一段足够长的时间，以得到足够多的统计数据。
   
    那年春天，我的丈夫袁家骝和我打算去日内瓦参加一个高能物理国际会议，然后到远东去旅行讲学。我们两个都是在1936年离开中国的，正好是在20年前。我们已经预订了伊丽莎白王后号的船票。但我突然意识到，我必须立刻去做这个实验，在物理学界的其他人意识到这个实验的重要性之前首先去做。虽然我感到宇称守恒定律是错误的可能性不大，但是我迫切要做一个明确的测试。于是，我请求家骝让我留下。幸好，他完全理解事情的重要性，同意一个人去。
   
鼓动安布勒博士参加
   
    在浦品实验室，我们有一个小而精干的低温研究小组。他们没有很先进的设备，但是，对于最新的技术很了解。我从布尔斯教授一位即将获得博士学位的研究生布鲁斯·比亚瓦蒂那里学到了保证良好的热接触和传导的各种巧妙技术窍门。
   
    即使在美国，也只有少数几个低温实验室的装备可以做核取向实验。其中最靠近哥伦比亚大学的一个是在华盛顿特区的国家标准局。安布勒博士是核取向领域的学术带头人，几年前，他从牛津大学转到国家标准局的低温实验室。我决定与他通电话问他是否有兴趣合作。1956年6月4日，我跟他通话，直接向他提出建议，他很热情地接受了。
   
漫长的筹划过程
   
    5月底，春季学期一结束，我就认真地开始准备这个实验。从6月初到7月底，整整两个月用来测试β探测器。看看哪一种闪烁体最适合于用来做这种实验？光导的一端形状应该是什么样子？怎样才能把直径1英寸、长4英尺的有机玻璃光导棍从低温恒温器中引出？我们能把闪烁体或者光电倍增管安装在低温恒温器内吗？极化磁场会影响计数率吗？如果我们事先知道要观察的不对称效应是如此之大，大可不必如此担心，但是充分的准备还是很值得的。
   
    7月24日，我写信给安布勒博士，告诉他在液氦温度下探测β粒子的实验准备工作进行得很满意。如果没有意外的技术问题冒出来，我建议他与我在一起讨论一下并向国家标准局的领导提出具体的实验安排问题。
   
    一周后在7月31日，我收到安布勒博士的回信，并附来一张低温恒温器的草图，让我对其尺寸大小有一个概念。可是他说，他将在8月4日出去度假两周。在8月份，我们详细研究了磁场对于β粒子计数的影响以及β粒子在作为β源衬底的硝酸铈镁单晶体上的背散射问题。这一修正约为30%～35%，会减弱要观察的不对称效应。
   
    9月中旬，我终于去了华盛顿特区，第一次会见了安布勒博士。他给我的印象和我从多次通话中所想象的完全一样：讲话和蔼、能干、高效率，更重要的是，充满了信心。他领我到他的实验室，把我介绍给赫德森博士，那时他是安布勒博士的上级，他们两人曾经一起密切合作过。随后赫德森决定加入我们的令人激动的实验，当然受到我们的欢迎。
   
    在β粒子的计数和γ射线的各向异性测量中，我们要用一大堆电子学设备。通过当时在国家标准局工作的我以前的学生弗罗塔-皮萨夫人的帮助，国家标准局放射学组的海沃德博士让我们使用他的10道多道脉冲分析器和其他设备。海沃德博士和他的研究助理霍普斯后来参加了我们组，增强了我们组的力量。在以后我们激动而又焦虑的彻夜不眠的日日夜夜里，我们真希望有更多这样能干的合作者。
   
    在我第三次到华盛顿特区时，我已经做好了两个60Co放射源。一个是在一完美的硝酸铈镁单晶的一面上生长一层含有60Co的晶层。这一层厚约0.002英寸，含有几微居放射性。另一个是把60Co均匀分布在硝酸铈镁晶体内，用来研究γ射线的各向异性。
   
    每件事都如预期的那样顺利进行。通过4英尺长、直径1英寸的光导所得到的137Cs的内转换线（624keV）的分辨率为17%。得到这样好的分辨率最主要是由于仔细挑选透明的有机玻璃棍和把有机玻璃棍的一端加工成对数螺旋形以达到最大的光收集效率，最重要的还是玛丽昂·比亚瓦蒂对光导表面的尽心抛光。
   
担心的事发生了
   
    将厚的60Coγ源极化没有困难，但是在薄的60Co表面源方面，我们就不那么走运。它的极化不能保持超过几秒钟，随即全部消失。我们一直担心的事情终于发生了：在表面上一薄层的极化不能保持足够长的时间以作实验观察。
   
    表面层极化的突然消失可能是由于其温度的突然上升，这是由于辐射、传导、或者氦气的凝聚所带给它的热量而引起的。惟一的解决方法是用冷却的硝酸铈镁晶体把这层薄的硝酸铈镁晶体屏蔽而保护起来。但是，我们从哪里可以很快得到多块大的硝酸铈镁单晶晶体呢？我决定回浦品实验室，想办法生长几块硝酸铈镁单晶晶体。
   
喜获大块单晶
   
    我请教了几位晶体结构学专家，很遗憾，他们证实了我的担心，要生长大的硝酸铈镁单晶（1英寸直径）必须有专门的技术。既要设备好，还要有耐心，而我们既缺经费又没有时间。我让我们化学技师弗莱什曼到化学图书馆去查阅所有关于硝酸铈镁晶体的资料。他借回来一本非常厚的半个世纪前在德国出版的关于这个问题的大书。这本巨作一直尘封在书架顶上，但对于我们正是有用。在新获得的信息指导下，玛丽昂·比亚瓦蒂开始在浦品实验室的地下室生长硝酸铈镁晶体。很容易生长出几毫米的晶体，但是不能再大了。
   
    一天晚上，玛丽昂·比亚瓦蒂把一只小烧杯和一些硝酸铈镁带回家。她在做晚饭时，也把盛有硝酸铈镁的烧杯放在炉子上。溶液热起来，更多的硝酸铈镁溶解在其中。她不断地添加硝酸铈镁，一直到溶液成为过饱和。
   
    第二天早上，她带到实验室一块1厘米大小的透明的硝酸铈镁晶体。我见到时简直不相信我的眼睛！我立刻想到应该用稍作改进的方法，去大规模生长硝酸铈镁晶体。在弗莱什曼的帮助下，我们先把大量商品级的硝酸铈镁提纯。然后将过饱和的硝酸铈镁溶液放在好几个玻璃烧杯内。烧杯放在一个用电灯泡加热控制温度的恒温箱内。让温度均匀而缓慢地降下来，在3星期后，我们得到了10多块大的完美的硝酸铈镁晶体。当我把这些宝贵的晶体带到华盛顿去的那一天，我真是世界上最快乐和最自豪的人。
   
观测到真实的不对称
   
    下一步的问题是，怎样把这些硝酸铈镁晶体做成一个屏蔽罩？装配成屏蔽罩时，每块晶体要打一个大孔，然后一个叠一个粘接起来。怎样在一片薄而脆的晶体上打一个大孔而不把它弄碎是一个难题。然而第一次组装并未成功，屏蔽罩塌陷了。
   
    第二次组装硝酸铈镁晶体屏蔽罩，用尼龙细线把晶体绑扎在一起。我们终于第一次看到真实的不对称效应，它跟γ射线的各向异性效应精确地符合。那已经是1956年12月中旬，在我们的计划开始进行了半年之后。我记得我们的心情是格外的小心和低调。如果我们的观测是正确的，那将是一个重大的发现。但是我们提醒自己，在向外界公布结果之前，必须更严格地检查实验。
   
    严格的实验检查
   
    一周后，对玻璃杜瓦瓶的改进完成后，我们开始对所观测到的不对称效应做彻底、深入的检查。首先，我们必须证明不对称效应不是由于在超低温下硝酸铈镁晶体的强磁场所引起的。我们还必须证明这一效应不是由于那强的退磁磁场在样品中所产生的剩余磁场所引起的。最明确的对照实验是：如果把β放射源放入硝酸铈镁晶体，但是不把核极化，那么就应该探测不到不对称效应。要进行所有这些实验需要好几周时间。
   
    在圣诞节前夕，机场因大雪而关闭,我乘末班火车回到纽约。我在车站打电话告诉李教授,我们观察到的不对称是可以重复的，而且很大，但是我们还没有来得及对于我们的实验做深入详尽的检查。我说曾粗略地快速估计过非对称参量A，得到的A几乎接近-1。李教授立刻理解了，并说这非常好。A=－1这个结果首次表明在伽莫夫-特勒相互作用的哈密顿量中，宇称守恒项与宇称不守恒项的干涉接近极大。
   
    李教授随即告诉我，在1956年夏季，他和杨振宁一起在布鲁克黑文国家实验室工作，他们不但提出了中微子二分量理论的概念，而且还对这一理论作了较深入的探讨。但是他们感到，如果在实验尚未证实宇称不守恒之前就发表这一理论，太不严谨。现在有了中微子二分量理论的明确的实验证据，我跟李教授讨论了可能做的实验验证，其中之一是电子极化的测量，另一个是π－μ－e实验。但是不太清楚如何具体进行这些实验。
   
    在那个时候，我还不太愿意让他们引用我们的实验结果，但是我答应很快给他们肯定的结果。
   
推翻宇称守恒定律
   
    1月2日我回到国家标准局继续检查我们的实验。这些检查中的某些项目进行得不像我们预期的那样顺利。从1月2日到1月8日，也许是我们整个实验进程中工作最紧张的日子。
   
    我们在国家标准局的恒温器是用玻璃制成的，玻璃的接头用一种将甘油和融化了的“棕榈皂”（后来改用“象牙皂”）调和在一起制成的低温真空脂来封接。一再重复发生的令人头痛的问题是，在温度低到T=2.3K(λ点)时出现的超流体泄漏。每漏一次，至少需要6到8小时将恒温器升温，重新涂真空脂，然后降温。为了节省时间，霍普斯就睡在恒温器旁的睡袋里。恒温器一降到液氦温度时，不管是夜里什么时间，他就打电话给我们每一个人叫我们到实验室去。
   
    我们还是像以往一样专心紧张地工作，甚至在μ子衰变已经显示宇称不守恒后，也仍不放松。我们一定要做到让自己完全相信自己的工作。
   
    在我们完成了全部我们认为必须做的实验检查后，我们终于在1月9日清晨聚在一起庆祝这一重大事件。赫德森笑嘻嘻地拉开抽屉拿出一瓶1949年产的拉菲特-罗特席尔德堡红葡萄酒，把它和几个纸杯一起放在桌上。我们终于举杯庆祝推翻了宇称守恒定律。
   
    我清楚地记得，第二天早上，我们的实验室寂静无声，几位低温实验室的其他组的同事走过时感到奇怪，他们忽然转过头来看着字纸篓，自言自语说，“好啊，在β衰变中的宇称守恒定律已经死了。”
   
    我急忙在1月10日晚赶回浦品实验室，11日星期六早晨，在831室开会。李、杨、内维斯实验组成员和我都参加了。由两位才华横溢的理论家主持的讨论令人神往。在那次会议之前，我们的结果已经写成论文并已送《物理评论》杂志。
   
    1月15日下午，哥伦比亚大学物理系召开了一个新闻发布会，向公众宣布，物理学的一个叫作宇称守恒的基本定律出人意料地被推翻了。第二天，《纽约时报》头版头条的标题是：“物理的基本概念被实验推翻”。这一新闻在公众中爆开，迅速传遍全世界。正如剑桥大学弗里施教授在那时的一次讲话中描述的那样：“‘宇称是不守恒的’这一难懂的语句,像一个新的福音传遍了全世界”。
   
    跟以往一样，在重大的发现之后，我们被请去参加各种大小学术讨论会，做关于我们实验的报告。1月底，美国物理学会在纽约召开年会，为宇称不守恒问题安排了一个专场报告会。后来，达罗在美国物理学会1956－1957年第2期简报上，用他的生动而诙谐的笔法记录了当时的情况：在星期六下午，我们按常规安排的那个最大的报告厅，已被听众占满，但一些会员仍想尽办法挤进来，只差没把自己吊在吊灯上。
   
    我们对于物理世界的结构的认识的突然解放压到了一切，沿着这一方向的科研活动以前所未有的步伐前进。
   
    （本自述由我国高能物理学家叶铭汉院士翻译；图文资料得到上海《科学》杂志大力支持，特此鸣谢。）
   
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“中国居里夫人”
   
    1940年吴健雄在美国加州大学伯克利分校获物理学博士学位后，继续在劳伦斯·伯克利实验室做了两年博士后研究。她的实验工作是研究铀元素的分裂产物以及一些元素的放射性同位素，因此经常要利用回旋加速器撞击靶后产生的中子束。那时，伯克利为了得到支持建造回旋加速器的经费，总要强调加速器应用在治疗癌症方面之功用，因此也确实有一些病人在接受照射治疗。吴健雄通常总是早上六点就去，等病人一停止治疗，她马上就开始工作。
   
    吴健雄在原子核分裂和放射性同位素方面的杰出工作，当时已经使她成为奥本海默等许多大科学家口中的“权威专家”，经常被请去在讨论会上，讲这方面的一些专题。甚至后来有人请塞格瑞去讲核分裂时，他都要向吴健雄借她演讲的资料去用。
   
    还有一回塞格瑞拿了一个经过中子照射的东西给吴健雄看，问她：“你看这是什么？”吴健雄就去量了一下，立即判定是铑（Rh），结果塞格瑞拿来的真是铑。塞格瑞在他1989年去世以前，曾经将一块东西交给一直留在伯克利的吴健雄的同学赫姆霍兹，这个东西就是那块铑。
   
    吴健雄专心致志于科学研究，但是她也并没有忘记自己出国的目的。中日战争爆发后，她曾经想过是不是要回到中国去，后来日本发动太平洋战争，航路邮件断绝，更使她望断乡关。也许是她的心根深于中国，有时在和外国好友谈话时，她会不自觉说起中国话来，而她浓重上海口音的英文，有时亦不易听懂，说话中也不时把“他”和“她”弄混了，不过她书写的英文，确是相当流畅典雅的。吴健雄最出名的一个故事，是有一次她演讲时太过投入，居然将物理公式像中国字一般，在黑板上由右向左写出来。毫无疑问，这时吴健雄已经是加州大学伯克利分校的一个传奇人物，当地的报纸都有专文报道，中国国内也有了她是“中国居里夫人”的说法。
   
“只有她看出了重要性”
   
    杨振宁和李政道在1956年6月间完成了一篇题为《在弱相互作用中宇称是守恒的吗？》的论文，论文中不但提出理论上对宇称守恒在弱相互作用中的质疑，也提出了好几种检验这种想法的实验。在他们文章的结尾，感谢了5位物理学家，其中就包括了高德哈伯和吴健雄。
   
    在杨、李论文完成以前，吴健雄已经认识到，对于研究β衰变的原子核物理学家来说，这是去进行这样一个重要实验的黄金机会，不可以随意错过。她以为，纵然结果证明宇称在β衰变方面是守恒的，也一样是为这方面的科学论点设定了一个极重要的实验证据。杨振宁说，当时他们也和其他科学家谈过了，但只有吴健雄看出其重要性，这表明吴健雄是一个杰出的科学家，因为杰出科学家必须具有良好的洞察力。
   
    那年春天，吴健雄原本已和袁家骝计划好，先到瑞士日内瓦出席一项高能物理会议，然后再到东亚地区去做一趟演讲旅行。这是他们1936年离开中国以后，20年来头一次回到东亚去，他们原本是要到台湾去访问的。
   
    为了这趟旅程，他们还订了伊莉莎白皇后号邮轮的票，准备坐船横渡大西洋。吴健雄由于认识到这个实验的重要性，应该马上做一个清清楚楚的检验，于是要求袁家骝一个人去，让她留下来做实验。
   
    随着吴健雄实验的进展，物理学界已渐渐开始有更多人谈论这件事，不同的故事和传言纷纷出现，形成一种极端热烈的气氛。任何一个熟悉半年以前科学界对这件事态度的人，都会对这种改变大感吃惊。
   
    当时在物理学界以直言质疑著名的“伟大泡利”，对宇称可能是不守恒也一直是极度怀疑的。他在1956年由他以前的学生怀斯科夫信上得知吴健雄在进行这个实验时，就立时回信给怀斯科夫说，以他的看法，做这个实验是浪费时间，他愿意押下任何数目的钱，来赌宇称一定是守恒的。
   
    怀斯科夫收到泡利来信时，正巧刚得知吴健雄实验成功的消息，他说他并没有立即打电报给泡利说“赌一千块钱”，只是告知他有关吴健雄令人吃惊的实验结果。后来泡利回信给怀斯科夫，除表示难以置信的惊讶之外，还开玩笑地写道：“我很高兴我们没有真的打赌，因为我也许还输得起一些名声，但是却输不起我金钱的损失。”
   
    吴健雄1956年回纽约过圣诞节时，他们的实验已经差不多可以说是成功了。但是吴健雄十分的担心，一方面她很难相信自然会有如此奇怪的现象，一方面也怕他们在实验中犯了什么错。尽管她把实验的最新结果告诉了杨振宁和李政道，但是她说她还要再次查验，并且要他们暂时不向外界透露消息。
   
    到了1月7日，有关李德曼、加文利用π介子衰变成μ粒子再衰变成电子和中微子的实验成功的消息，已开始广为流传，国家标准局的局长等高层人员，也都打电话来探询吴健雄的实验结果。
   
    吴健雄在另外一个实验已证实宇称不守恒的巨大压力之下，一点也没有掉以轻心，继续进行各种仔细的查证。1月9日清晨2点，他们终于将预定要进行的实验查证全都做完，5个从事这项实验的科学家聚在实验室中，庆祝这个科学史上的伟大时刻。
   
    那一年，瑞典皇家科学院的诺贝尔委员会没有把诺贝尔奖颁给吴健雄，使得许多人感到意外和不满。许多大科学家都公开表示了他们的失望和不以为然。1988年得到诺贝尔奖、和吴健雄在哥伦比亚大学有长时间同事情谊的史坦伯格就以为，那年诺贝尔奖没有同时颁给吴健雄，是诺贝尔委员会最大的失误，原因是宇称不守恒的构想虽然是杨、李提出的，但是却是吴健雄做实验发现的。
   
    吴健雄对于自己没有得到诺贝尔奖，多年来从未公开表露过意见。1989年1月，她在回复史坦伯格的一封信上，除了恭贺史坦伯格1988年的得奖，也对于史坦伯格在信中，以及在《科学》杂志文章中对她成就的赞扬，表示深受感动和极为感谢。吴健雄在信中说：“像你这样一位近代物理的伟大批评者，所给予我这样一个罕有的称赞，是比任何我所期望或重视的科学奖，还要更有价值。我的一生，全然投身于弱相互作用方面的研究，也乐在其中。尽管我从来没有为了得奖而去做研究工作，但是，当我的工作因为某种原因而被人忽视，依然是深深地伤害了我。”
   
    (摘自江才健著《吴健雄》一书)