98歲家庭主婦被授予榮譽(yù)博士學(xué)位，她的發(fā)現(xiàn)引發(fā)物理學(xué)家重新思考對(duì)稱性

近日，英國布里斯托大學(xué)授予98歲的羅斯瑪麗·福勒女士榮譽(yù)博士學(xué)位，她在攻讀博士期間發(fā)現(xiàn)了一種當(dāng)時(shí)認(rèn)為奇特的粒子衰變過程，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是“（引發(fā)）改寫物理定律的事件”；也是讓李政道和楊振寧思考宇稱是否守恒的起因。但羅斯瑪麗·福勒因?yàn)榧彝ピ螂x開了學(xué)術(shù)圈，此后她的這項(xiàng)杰出工作很少被提起?，F(xiàn)在，她的母校代表世界肯定了她的貢獻(xiàn)。

編譯 | 劉航

75年前，粒子物理學(xué)中一項(xiàng)似乎默默無聞的發(fā)現(xiàn)，引發(fā)了物理學(xué)家對(duì)自然界最根本的對(duì)稱性的重新思考。其發(fā)現(xiàn)者——現(xiàn)年98歲的羅斯瑪麗·福勒（Rosemary Fowler，1926-）女士，在最近被其母校布里斯托大學(xué)授予榮譽(yù)理學(xué)博士學(xué)位，她曾因家庭放棄了自己的博士學(xué)位。布里斯托大學(xué)校長、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者保羅·納斯（Paul Nurse）親自為她舉行了學(xué)位授予儀式。正是在布里斯托，她的發(fā)現(xiàn)——K介子衰變到三個(gè)π介子，最終引發(fā)了粒子物理學(xué)理論的一場(chǎng)革命；Nature雜志將她的發(fā)現(xiàn)描述為“（引發(fā)）改寫物理定律的事件”。

羅斯瑪麗·福勒被授予榮譽(yù)博士學(xué)位

宇宙線中的發(fā)現(xiàn)

第二次世界大戰(zhàn)前后的幾十年是粒子發(fā)現(xiàn)的繁盛時(shí)期。20世紀(jì)30年代，隨著中子、繆子（第二代輕子）和第一個(gè)反物質(zhì)粒子——正電子的發(fā)現(xiàn)，亞原子粒子的名單已經(jīng)遠(yuǎn)超出了電子和質(zhì)子的范疇。當(dāng)時(shí)布里斯托大學(xué)擁有世界領(lǐng)先的宇宙線物理團(tuán)隊(duì)，在塞西爾·鮑威爾（Cecil Powell，1903-1969）教授的帶領(lǐng)下，實(shí)驗(yàn)室完善了使用感光底片研究宇宙線的技術(shù)。在這之前，由于乳膠的靈敏度不高，只能記錄一些能量較小而電離較大的粒子徑跡，容易遺漏能量較大而電離較小的粒子，這就降低了發(fā)現(xiàn)新粒子的機(jī)會(huì)。鮑威爾與其合作者提高了乳膠的靈敏度并增加了乳膠的厚度，使帶電粒子通過乳膠時(shí)產(chǎn)生電離，顯影后呈現(xiàn)黑色晶粒而留下徑跡。鮑威爾的實(shí)驗(yàn)組正在努力從宇宙線中尋找新的基本粒子。

1947年，塞西爾·鮑威爾證實(shí)了π介子的存在，這是介子家族中最輕的粒子。早在1934年，日本物理學(xué)家湯川秀樹（Hideki Yukawa，1907-1981）就預(yù)言了π介子。湯川假設(shè)質(zhì)子和中子之間通過某種場(chǎng)相互吸引，這種場(chǎng)即是π介子，其作為強(qiáng)核力的載體——強(qiáng)相互作用的剩余相互作用。（介子是由一對(duì)正反夸克組成的，夸克之間通過膠子傳遞強(qiáng)相互作用。）

1947年12月，英國曼徹斯特大學(xué)的喬治·羅切斯特（George Rochester，1908-2001）和克利福德·巴特勒（Clifford Butler，1922-1999）將介子研究推進(jìn)到了一個(gè)新的階段。他們仔細(xì)分析了5000張?jiān)剖艺掌l(fā)現(xiàn)了被稱為θ的奇異粒子——一種電中性的介子，它能衰變成兩個(gè)π介子。幾個(gè)月后，羅斯瑪麗發(fā)現(xiàn)了與θ粒子極為相似的粒子。

1948年，22歲的羅斯瑪麗是塞西爾·鮑威爾小組的一名博士生。她的研究工作是在瑞士少女峰的高海拔實(shí)驗(yàn)室中，觀察暴露在宇宙線中的光乳膠照片，通過分析乳膠照片中的粒子徑跡來研究高能粒子反應(yīng)過程。她發(fā)現(xiàn)了一些不同尋常的東西——一個(gè)衰變成三個(gè)π介子的奇異粒子。她后來回憶說：“我立刻意識(shí)到這是新發(fā)現(xiàn)，而且意義重大。我們看到了以前從未見過的結(jié)果。”她所觀察到的徑跡后來被標(biāo)記為“k-track”，是未知粒子的證據(jù)，當(dāng)時(shí)被稱為τ介子。

令人費(fèi)解的是，τ介子應(yīng)該是曼徹斯特團(tuán)隊(duì)之前看到的θ粒子的鏡像，看起來二者在每個(gè)方面都相同：同樣的質(zhì)量、同樣的自旋，等等。但它們的衰變方式卻截然不同：τ介子衰變?yōu)槿齻€(gè)π介子，而θ衰變?yōu)閮蓚€(gè)π介子。羅斯瑪麗的發(fā)現(xiàn)似乎打破了“鏡像對(duì)稱性”，即“宇稱對(duì)稱性”，這兩個(gè)過程具有相反的宇稱。

羅斯瑪麗·福勒發(fā)現(xiàn)的“τ介子”宇宙線徑跡?！唉咏樽印痹贏點(diǎn)衰變到π++π++π-，π-隨后在B點(diǎn)碎裂。

在粒子加速器發(fā)展的早期，通過這種拍下宇宙線乳膠照片的方法，是研究高能粒子物理的主要實(shí)驗(yàn)方法。羅斯瑪麗對(duì)她的這一發(fā)現(xiàn)深信不疑，研究小組進(jìn)行了一段緊張的分析工作。“在發(fā)表這一發(fā)現(xiàn)之前，必須進(jìn)行大量的測(cè)量和計(jì)算。我們知道這是一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)，所以我們非常努力地工作，以便盡快完成所有工作?！绷_斯瑪麗說。

羅斯瑪麗等人在短時(shí)間內(nèi)連續(xù)寫了三篇論文，其中兩篇發(fā)表在1949年1月的《自然》雜志上，羅斯瑪麗為第一作者，用的是她本姓布朗（R. Brown）。這符合粒子物理論文按字母順序排列的慣例，也說明了她在這一工作中的主要貢獻(xiàn)。而真正解釋這個(gè)惱人的“θ-τ”佯謬，粒子物理學(xué)家們花了近十年的時(shí)間。

鏡像對(duì)稱性的破壞

在這之前，人們普遍相信物理定律是左右對(duì)稱的，即任何物理過程的鏡像也是可能發(fā)生的物理過程。羅斯瑪麗這一發(fā)現(xiàn)引起了科學(xué)家們的興趣，他們開始更深入地研究“宇稱”——這個(gè)此前被認(rèn)為是自然界基本性質(zhì)的對(duì)稱性。

在粒子物理學(xué)中，宇稱是用一個(gè)量子數(shù)來表達(dá)的，這個(gè)量子數(shù)描述了粒子或場(chǎng)在空間坐標(biāo)軸反向時(shí)的行為?？傆罘Q是通過將過程中不同階段所涉及的所有粒子的宇稱數(shù)相乘來計(jì)算的。如果宇稱是守恒的，則總宇稱不能改變。

π介子的宇稱為-1，羅斯瑪麗發(fā)現(xiàn)的τ介子衰變?yōu)槿樽幽B(tài)，其宇稱應(yīng)該也為-1。但θ衰變的雙介子末態(tài)的宇稱是+1。如果宇稱守恒，那么兩個(gè)過程中初始粒子也必須具有不同的宇稱，因此應(yīng)該是不同類型的粒子。但沒有一個(gè)理論可以解釋，為什么兩個(gè)不同類型的粒子會(huì)有完全相同的質(zhì)量。這就是著名的θ-τ之謎。

當(dāng)時(shí)許多合作組跟隨她的腳步，仔細(xì)研究了云室的照片，并用氣象氣球?qū)⒋罅康母泄馊槟z底片送入大氣層，以尋找τ介子衰變的跡象。至1953年，物理學(xué)家共觀測(cè)到了11個(gè)事例。勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的大型粒子加速器Bevatron從1954年開始運(yùn)行，到1955年也產(chǎn)生了35個(gè)事例。大型粒子加速器為粒子物理研究提供了宇宙線之外的另一種重要研究手段。在這個(gè)過程中，科學(xué)家引入了一種新的命名慣例：最初發(fā)現(xiàn)的奇異粒子被稱為K介子，而θ和τ則分別指代衰變到兩個(gè)和三個(gè)π介子的模式。

通過更精確地測(cè)量，兩種類型的K介子的質(zhì)量被證實(shí)的確相同，這使θ-τ之謎變得更加令人困惑。1956年4月，為了討論K介子及其他幾個(gè)在此期間被發(fā)現(xiàn)的令人困惑的奇異粒子，粒子物理學(xué)家們?cè)诩~約羅徹斯特舉行了一場(chǎng)會(huì)議。雖然羅斯瑪麗和鮑威爾沒有出席這次會(huì)議，但蓋爾曼（Murray Gell-Mann，1929-2019）、費(fèi)曼（Richard Feynman，1918-1988）等幾位杰出的科學(xué)家出席了會(huì)議。在蓋爾曼的回憶中，費(fèi)曼和實(shí)驗(yàn)家馬丁·布洛克（Martin Block，1925-2016）住在一個(gè)房間里，布洛克問他：“如果宇稱不守恒怎么辦？ θ和τ就不能是同一個(gè)粒子了嗎？”費(fèi)曼在會(huì)議上也拋出了這個(gè)問題。

布里斯托大學(xué)物理學(xué)院留影，圖中后排左側(cè)靠著柱子的是羅斯瑪麗。

事實(shí)證明，沒有人真正能證明宇稱守恒，尤其在衰變這種弱相互作用過程中。李政道和楊振寧也參加了那次會(huì)議，后來經(jīng)過細(xì)致地研究，他們發(fā)現(xiàn)事實(shí)上弱相互作用中宇稱是否守恒并沒有被檢驗(yàn)過，并于同年10月發(fā)表論文，提出了幾種具體的實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)宇稱是否守恒。起初，他們的論文備受質(zhì)疑，因?yàn)橛罘Q守恒是大多數(shù)物理學(xué)家長久以來默認(rèn)的觀點(diǎn)；費(fèi)曼甚至以50倍的賠率打賭，反對(duì)宇稱不守恒。1956年，李政道與當(dāng)時(shí)世界上衰變領(lǐng)域最權(quán)威的專家之一吳健雄討論相關(guān)問題，吳健雄決定開展實(shí)驗(yàn)。由于實(shí)驗(yàn)的重要性，吳健雄放棄了早已計(jì)劃好的回國探親旅行，和美國國家標(biāo)準(zhǔn)局（NIST）的專家們組織了一個(gè)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)開始細(xì)致的實(shí)驗(yàn)工作。通過觀察鈷-60的β衰變，他們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)末態(tài)電子沿鈷-60極化方向相反的方向出射。在吳氏實(shí)驗(yàn)中，強(qiáng)磁場(chǎng)極化了角動(dòng)量方向，即自旋方向，原則上不限制末態(tài)電子的運(yùn)動(dòng)方向。所以，如果宇稱守恒，則末態(tài)電子，即出射的β射線方向應(yīng)該在核極化方向的正反方向等概率。而實(shí)驗(yàn)只監(jiān)測(cè)到與核極化方向相反的射線，從而他們可以得出結(jié)論——宇稱守恒在弱作用中確實(shí)是不成立的。（編者注：可參見《中學(xué)生可以讀懂的宇稱不守恒和吳氏實(shí)驗(yàn)》）其后，更多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果接踵而至，直到弱相互作用下宇稱不守恒無可否認(rèn)。

這個(gè)謎題的答案是，兩種K介子是同一種粒子，宇稱并不是自然界中弱相互作用的基本對(duì)稱性。

吳健雄的實(shí)驗(yàn)非常巧妙，她還設(shè)法證明了自然界打破了另一種對(duì)稱性——C（電荷共軛）對(duì)稱性，意思是說，如果將相互作用中的所有粒子換成它們的反粒子，這個(gè)過程應(yīng)以同樣的方式發(fā)生。這一發(fā)現(xiàn)使物理學(xué)家們認(rèn)識(shí)到，不只宇稱守恒，對(duì)于自然界的其他一些假設(shè)存在的對(duì)稱性都需要精確檢驗(yàn)?！癈P”——電荷守恒和宇稱守恒的結(jié)合，當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是成立的，但隨后在1964年的K介子衰變的實(shí)驗(yàn)中被證明是被破壞的。CP破壞比宇稱破壞具有更深刻的意義，它可能與宇宙中的物質(zhì)多于反物質(zhì)有關(guān)。

摒棄宇稱守恒對(duì)物理學(xué)家產(chǎn)生了深刻的影響，羅斯瑪麗的發(fā)現(xiàn)改寫了粒子物理學(xué)發(fā)展道路，人們對(duì)基本粒子及其相互作用、特別是對(duì)稱性這一基本概念的認(rèn)識(shí)發(fā)生了天翻地覆的變化。今天，物理學(xué)家仍在利用各種實(shí)驗(yàn)研究粒子衰變中的對(duì)稱性破缺，尋找超出粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理。

“瑪?shù)贍栠_(dá)”效應(yīng)

羅斯瑪麗的經(jīng)歷不免讓人提出這樣的問題：為什么很少有人聽說過她？其中一個(gè)原因可能是，在她那個(gè)時(shí)代的大多數(shù)物理系乃至科學(xué)界，很難做到性別平等。鮑威爾的實(shí)驗(yàn)室是個(gè)例外。在戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期，男人需要服兵役，而當(dāng)時(shí)鮑威爾實(shí)驗(yàn)室中所用的新科學(xué)方法——利用乳膠感光技術(shù)對(duì)宇宙線成像正在發(fā)展，這是一項(xiàng)需要大量人力的工作。鮑威爾的實(shí)驗(yàn)室收集到大量宇宙線照片，他雇傭了許多掃描員，這些掃描員（其中大多數(shù)是女性）辛苦地在照片中搜尋，將任何不尋常或有趣的東西交給物理學(xué)家進(jìn)行進(jìn)一步分析。

羅斯瑪麗·福勒不是掃描員。她是少數(shù)被邀請(qǐng)攻讀物理學(xué)博士學(xué)位的女性之一，她獲得了一等學(xué)士學(xué)位——這對(duì)任何人來說都是非同尋常的成績，尤其是在那個(gè)年代。羅斯瑪麗在上學(xué)后便展現(xiàn)出了出類拔萃的理科天賦，擅長數(shù)學(xué)但對(duì)寫作不太感興趣，這或許和她的父親是一名英國皇家海軍工程師有關(guān)。她成為同年級(jí)中唯一一個(gè)進(jìn)入大學(xué)的女生，并且最后帶著漂亮的成績單成為鮑威爾的研究生。

聰明果斷的她在進(jìn)組后只休了兩天假，于1947年6月開始工作。在發(fā)現(xiàn)“τ介子”衰變時(shí)，她第一個(gè)告訴的人是她的博士生同學(xué)彼得·福勒（Peter H. Fowler）。“我們花了一些時(shí)間觀察和思考，享受發(fā)現(xiàn)的時(shí)刻。然后我告訴了其他人，”她說。作為核物理先驅(qū)歐內(nèi)斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford，1871-1937）的外孫、量子物理先驅(qū)拉夫爾·福勒（Ralph H. Fowler,1889-1944；狄拉克的導(dǎo)師）的兒子，彼得·福勒是一位公認(rèn)的才華橫溢的年輕物理學(xué)家。他比羅斯瑪麗大三歲，但比她晚一年入學(xué)，他的學(xué)業(yè)因服兵役而中斷。他們兩人于1949年結(jié)婚，同時(shí)羅斯瑪麗決定離開學(xué)術(shù)界。在羅斯瑪麗的大力支持下，她的丈夫彼得·福勒取得了非常杰出的職業(yè)生涯，在實(shí)驗(yàn)探測(cè)宇宙線方面取得了重要成果。

當(dāng)被問及為什么在那之后沒有完成博士學(xué)位就離開了學(xué)術(shù)事業(yè)時(shí)，羅斯瑪麗的回答很務(wù)實(shí)。生活在食品和住房短缺的困難時(shí)代，三個(gè)女兒需要人照顧，需要維持生活，于是她決定讓彼得·福勒繼續(xù)從事物理工作，她認(rèn)為這是最好的安排。羅斯瑪麗的女兒瑪麗·福勒（Mary Fowler）回憶道：“小時(shí)候我想成為一名物理學(xué)家，父母都是物理學(xué)家，物理和研究是廚房餐桌上的談資！羅斯瑪麗影響了我們所有人——我們都熱衷于科學(xué)和數(shù)學(xué)。沒有人認(rèn)為女孩做不到?！彼F(xiàn)在是出色的地球物理學(xué)家，曾擔(dān)任劍橋大學(xué)達(dá)爾文學(xué)院院長。因?yàn)榱_斯瑪麗·福勒行動(dòng)不便，這次的學(xué)位授予儀式就是在劍橋達(dá)爾文學(xué)院舉行的。

隨著時(shí)間的推移，在各種出版物中，羅斯瑪麗的貢獻(xiàn)經(jīng)常被歸功于她的丈夫或鮑威爾。但鮑威爾明確承認(rèn)羅斯瑪麗在這一發(fā)現(xiàn)中的主要貢獻(xiàn)。但這似乎確實(shí)是“瑪?shù)贍栠_(dá)”效應(yīng)的一個(gè)例子，即女性科學(xué)家的貢獻(xiàn)經(jīng)常被忽視或歸因于男性同行。[瑪?shù)贍栠_(dá)效應(yīng)以美國作家和活動(dòng)家瑪?shù)贍栠_(dá)·喬斯林·蓋奇（Matilda Joslyn Gage）的名字命名。1870年，她寫了一本名為《作為發(fā)明家的女人》（Woman as Inventor）的小冊(cè)子，譴責(zé)當(dāng)時(shí)廣為流傳的女性缺乏創(chuàng)造力和科學(xué)才能的觀點(diǎn)。]

羅斯瑪麗不是唯一一個(gè)貢獻(xiàn)被低估的科學(xué)家。鮑威爾因使用感光乳膠技術(shù)發(fā)現(xiàn)π介子而獲得1950年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，但該技術(shù)的發(fā)明者、奧地利物理學(xué)家瑪麗埃塔·布勞（Marietta Blau，1894-1970）的貢獻(xiàn)卻被忽視了，即使她后來多次被薛定諤提名為諾獎(jiǎng)候選人；印度物理學(xué)家比巴·喬杜里（Bibha Choudhuri，1913-1991）在二戰(zhàn)期間發(fā)表在《自然》的論文中也出現(xiàn)了π介子的證據(jù)，她的工作甚至比布勞的更不為人所知……

如今，距離羅斯瑪麗的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)過去了75年，她被授予榮譽(yù)博士學(xué)位，證明人們將永遠(yuǎn)記住她所作出的重要貢獻(xiàn)。

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