宇称不守恒的第一个验证实验——吴健雄钴—60极化核β衰变实验，本文主要内容关键词为：第一个论文,宇称不论文,吴健雄论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
1957年1月，一个震撼世界实验结果：“钴—60 极化核β衰变不对称性”——证明了“弱相互作用中宇称不守恒”。提出宇称不守恒理论的杨振宁和李政道教授，荣获当年诺贝尔物理学奖！
物理学是一门实验科学。任何理论没有实验证实，是不会为人们接受的。杨振宁和李政道教授正是因为有另一位中国留美核物理学家，有“核子物理女皇”、“世界最杰出的女性实验物理学家”和“中国居里夫人”等盛誉的吴健雄教授，很快就主持作出确凿的实验验证，才得以创造科学史上伟大的奇迹。因而众多诺贝尔物理奖得主都认为，“吴健雄绝对应该和杨振宁、李政道同时获得诺贝尔物理学奖”。在此新世纪新千年到来之时，让我们同时回顾一下誉满全球的吴健雄教授，主持作出第一个验证实验的辉煌科学道路，以发扬我们科学中国人，为人类科学技术进步而拼搏奉献的崇高精神！
一、核子物理实验女皇，β衰变研究的世界权威
1912年出生于上海的吴健雄，1934年毕业于中央大学。1936年赴美留学，进入加州大学柏克莱分校物理系。那时该系有一批年青而顶尖的物理学家，如她的导师是发明回旋加速器而获诺贝尔奖的劳伦斯（E.Lawrence），她的实验导师是发现反质子而获诺贝尔奖的塞格瑞。 1940年她获得博士学位的论文中，有两项关于核裂变和放射性同位素的成果，已发表在世界权威杂志《物理评论》上。后来领导原子弹研制的天才科学家奥本海墨也是她当时的老师，而且对她非常赏识与器重。也正因为这个原因，1944年吴健雄得以特许进入军事绝密的“曼哈顿”原子弹制造工程中，担任关键课题并作出重要贡献，她的科学水平与能力也因此又有很大提高。
二次大战结束后，吴健雄全力投入当时最为尖端的核物理研究工作。β衰变是核物理中非常重要而又相当复杂和困难的领域，核能级、核衰变、中微子、弱相互作用等都要通过β衰变来进行研究。吴健雄正是在这个尖端课题中，利用原子弹制造中发展起来的反应堆和新型磁谱仪，作出了一个又一个的重大成果。例如在理论和实验两方面都是世界顶尖级的大科学家费米，1933年提出带中微子的β衰变理论，但实验中出现大量慢电子，与理论不符，有人又提出新的修正理论，仍然与不少实验结果抵触。于是出现争论不休的局面。费米本人也一再实验，却总是找不到问题的答案。1949年，吴健雄经过周密的分析，看准了问题的关键，运用精巧的实验技术，作出了与费米理论完全一致的结果，把多年的纷争一下就澄清了。接下来的继续研究，她进一步找到几种不同形式的β衰变谱线，确定为一级，二级和三级禁戒β谱。这些禁戒谱的实验观测和理论预言相符，进一步完善和丰富了β衰变理论，这时只30多岁的吴健雄，已成为核子物理实验和β衰变研究的世界权威！
二、毅然全力投入宇称不守恒验证实验
1956年，李政道和吴健雄都在哥伦比亚大学物理系工作，而且办公室在同一个大楼中，当杨振宁和李政道找到了把宇称守恒单独放在弱相互作用中来检验的关键时，自然会首先想到研究最重要的弱相互作用β衰变的专家，同是炎黄子孙的吴健雄。李政道及时再三和吴健雄进行了深入的讨论，杨李二人也正是从这些讨论中了解到如何进行验证实验的基本原理，所以他们在论文中提出了检验实验的方案，并在文末表示了对吴健雄的感谢。
实验是检验真理的唯一标准。震动世界的论文更需要震撼世界的实验来证明。由于杨振宁和李政道论文的巨大革命性，不仅许多获诺贝尔物理奖的世界顶尖级大科学家，持绝对否定态度，而且绝大多数实验物理学家也持怀疑态度，或者表示完全否定。只有吴健雄教授以她特有的高度科学洞察力，一眼就看出了验证宇称不守恒实验的伟大意义。她毅然取消了夏季旅行计划，立即开始细致而精密地筹划实验工作。
三、世界超级高难度的实验
这样重大的实验，其实验技术的高难度是一般人难以想象的，例如作为其关键技术之一的原子核极化技术（使原子核的自旋有一定方向），是核物理实验技术和超低温技术的结合，是世界超级的高难度技术之一，需要0.01K的超低温（比摄氏零下273.15 度的绝对零度只稍许高千分之几度的极冷低温！）。当时在欧洲只有牛津大学和荷兰莱登两处，在美国也只有国家标准局等两三处能实现核极化。同时，超低温条件下的β放射源的研制与β衰变的探测，超低温条件下实验系统的设计、实验现象分析和实验数据的处理等，都是原来通常核子物理实验从未有过的巨大难关。显然，当时不少实验物理学家不动手作此实验，这样极高的难度，不能不说也是重要原因之一。深知这些巨大的困难而毫不退缩，且战胜重重困难的吴健雄教授，表现了科学中国人不畏艰险，勇于探索的崇高品质。
晶盐上（掺入晶体表面）；再一起放入外磁场线圈中；整个系统置超低温设备中。在低温以上温度时，核自旋方向无序，在超低温0.01K时，利用外磁场线圈加上几百奥斯特的磁场，外磁场使硝酸铈镁晶体中原子整齐排列起来；这些原子又使掺入晶体表面的钴原子整齐排列起来。外磁场使顺磁盐的外层电子壳层被极化，被极化的电子壳层形成的磁场引起原子核的极化，超低温把整齐排列的原子冻结成相对静止。实验时利用外磁场反向，将钴—60极化核自旋方向反转，构成了镜象实验系统，实验中用光导管头上的蒽闪烁晶体测量钴—60衰变放出的电子数。由于此实验需要超低温条件，吴健雄教授邀请了在华盛顿的美国国家标准局的低温实验专家安布勒（E.Ambler）等4人一起作此实验，并把实验放在国家标准局进行， 实验中利用顺磁盐绝热退磁技术使最低温度达0.004K。
按量子力学原理可以得到结论：如若衰变中宇称守恒，则钴—60的β衰变放出的电子对原子核自旋方向的角分布应是各向同性的。从镜象对称原理来看，宇称守恒，则镜象实验系统的结果，是原实验结果的镜象，也要求β电子对核自旋方向有相同的角分布。吴健雄实验中就是测量钴—60极化核反向前后，β衰变放出的电子，是否有相同的计数率来检验宇称是否守恒的。
四、震撼世界的炎黄狂飚
高难度的实验，意料不到的困难，使实验进展十分不顺利，但在经历克服重重困难的千辛万苦之后，终于取得了图3 所显示的震撼世界的实验结果。
上图为γ光子的各向异性，X轴为时间轴， 光子计数率以温度升高到钴—60核失去极化特性时的计数率为标准规一化。超低温和强外磁场条件下，光子计数率赤道方向多于极向最高达30％以上，大约6 分钟后两个方向光子计数差别消失，这是由于超低温很难保持，随着温度的升高，无规热运动破坏了核自旋的整齐排列，核极化程度随之下降的缘故。因而上图实际上是核极化与超低温的标度图，光子的各向异性的程度，表示出超低温和核极化的程度，中图是由上图计算的γ各向异性因子，表达与上图相同的意义。
下图为震撼世界的实验的结果。它是外磁场反向前后（即核自旋反向前后）测量到的β衰变电子的不对称性，这说明β电子对钴—60核自旋方向，不是各向同性的。这一结果，不是一般地证明了宇称不守恒，而是奇迹般地验证了宇称不守恒。因为科学史上的一般情况是，第一次怀疑来自微小的偏差，与误差限往往差不多。后来疑点逐渐增大，经过相当长时间和许多人的努力，才能推翻原来的结果。而在吴健雄等人的实验结果曲线上，可以看到沿核自旋的一个方向发出的β电子强度，比另一方向竟然大了40％，对于一个早已为科学界确信无疑的基本原理，在推翻它的第一个实验中就显示出这样的效应，简直创造了科学史上的一大奇迹！由此可见，吴健雄实验是物理学史上一个精妙绝伦的杰作，无可辩驳地证明了弱相互作用中宇称不守恒！
这一结果，在科学史册上写下光辉篇章！
这一结果，是一曲席卷全球的炎黄狂飚！
五、发现宇称不守恒的重大科学意义与深远影响
宇称不守恒理论的提出与实验证实，是20世纪科学史上最重大的革命性突破之一。它对物理科学造成的冲击，可说是无与伦比；它给物理学家带来的思想和情绪的震惊，在二次世界大战后的半个多世纪中，没有任何一个其它实验能与之相比美；它极大地改变了物理学界的观念，掀起深入开展高精物理学实验的新热潮，促进了物理学的进一步深入发展，这只要从以下一些事实，即可看出它的重大科学意义与深远影响。
宇称不守恒一经吴健雄实验组证实，在世界舆论界享有崇高地位的《纽约时报》以头版刊出新闻，报道了这件科学大事，还以“表象与真实”为题，发表一篇社论，认为宇称不守恒使物理学家找到了一条走出“宇宙丛林”的道路。
吴健雄等人实验成功的消息公布后，世界各地的核物理实验科学家，纷纷奔往他们的实验室，重复作这一实验或作出由此实验引发出的相关实验，如对正电子发射体钴—58 也作出了类似的宇称不守恒实验：Co—58→Fe—58＋e[＋]＋v。突破一经取得，各种新结果不断涌现：CP守恒，CP破缺，千分之二的CP破缺，CPT联合守恒， 二分量中微子理论等各种结果，表明物理实验不断深入，物理观念不断更新，宇称不守恒极大地推动了科学向前发展。
各种重大的物理定律，往往是在长时期内经过许多实验才形成的。一个重要理论有时很难让人们短期内接受，有的甚至争论几十年乃至几百年，而弱相互作用中的宇称守恒，在几个月内被杨振宁和李政道的一篇论文，吴健雄的一个实验一下子推翻，连最难转变观点的顶尖级大物理学家们，都立刻向他们三人衷心祝贺，在科学史上也实属罕见。
杨李理论提出的次年，吴健雄实验后几个月，李政道与杨振宁即获得诺贝尔物理奖，而一般获奖常常需要几年，十几年乃至二三十年的认可与等待时间。
许多获诺贝尔物理奖的大科学家，认为吴健雄绝对应该和杨振宁李政道同时获得诺贝尔奖，她未能得奖“是瑞典诺贝尔委员会的最大败笔”！而另一个后来才设立的国际科学大奖——沃尔夫奖，把第一届首奖，授予了吴健雄教授。
近40年来出版的高级现代物理学书刊，很多都有专门章节讨论杨李理论与吴健雄实验，或涉及他们的宇称不守恒理论，并一致给予崇高评价。
宇称不守恒理论与实验的隆隆春雷声，仍然在长空中回荡！那呼啸的炎黄狂飚仍然在五洲横扫！它们在响亮地宣告：科学中国人，将在新世纪中再创更多的辉煌！