物理學家吳健雄:紀念吳健雄先生誕辰110週年

吳健雄出生於1912年5月31日,至今正好110週年。在她誕辰110週年之際,謹寫此文弘揚吳先生為世界科學做出的卓越貢獻,並回憶幾件與她接觸過的往事,緬懷她為中國高能物理發展所作的貢獻,紀念這位被譽為東方居里夫人的傑出的物理學家。

01

不平凡的一生

吳健雄先生出生在江蘇省蘇州市太倉縣的一個書香門第。父親吳中毅知書達禮,重視子女的教育,反對當時社會上輕視婦女的習俗,崇尚男女平等,認為女孩子也有受教育的權利。於是他把女兒吳健雄送到小學、中學讀書,像男孩一樣培養,使她從小就受到良好的教育。父親對她一生影響極大。

1923年,吳健雄在家鄉讀完小學,考入蘇州市第二女子師範學校,1927年以優秀成績從師範學校畢業,擔任一所小學的教師。兩年後她以優異成績考取南京中央大學數學系,一年後轉入物理系,攻讀她鍾愛的物理專業。

大學畢業後她先在中央研究院工作了一年, 後於1936年赴美留學。原定去密歇根大學,後因在加州大學柏克萊分校參觀了勞倫斯剛發明的迴旋加速器,受勞倫斯的影響而改到柏克萊上學,師從著名核物理學家、諾貝爾物理獎獲得者埃米里奧·賽格雷教授。1940年獲得物理學博士學位。之後她到過史密斯學院和普林斯頓大學工作。1942年與袁家騮結婚,主婚人是加州理工學院的諾貝爾物理獎獲得者密立根教授。同年她參加了曼哈頓計劃。1944年到哥倫比亞大學工作直到退休。

1973年10月她和丈夫袁家騮回到闊別37年的中國,幫助分析雲南站發現的宇宙線事例,並對陪同訪問的高能物理研究所所長張文裕先生說:「一定要儘快把高能加速器預製方案搞出來」。此後她和袁家騮多次回國訪問、講學,曾受到鄧小平同志的接見。他們訪問過中國科學院及屬下的研究所以及幾所高校,還有吳健雄家鄉的中小學。他們曾幾次參觀、訪問高能物理研究所,參觀北京正負電子對撞機和北京譜儀。他們為中國的發展而興奮,也向中國領導人建言獻策,提出許多有關發展科學、教育和培養人才的建議。他們還捐款設立教育基金,促進教育事業的發展。從他們身上我們看到了一對海外華裔的拳拳愛國之心。

02

傑出的科學成就

吳健雄先生在物理學方面有諸多貢獻,其中最著名的要數她主持的60Co的β衰變實驗。該實驗證實了李政道和楊振寧兩位先生早先提出的在弱作用下宇稱不守恆的理論。正是由於這個理論被吳健雄實驗(1956年底)證實後,李政道、楊振寧獲得了1957年的諾貝爾物理學獎。但吳健雄先生的名字不在獲獎名單之中,因而受到物理界的廣泛關注,許多人深感不平。有一種解釋是諾貝爾獎只限三人,而參加吳健雄實驗的還有美國國家標準局低溫組的其他三個人,因此不好平衡。大多數人不贊成此種說法。因為參加實驗的四人中,誰是實驗的提出人,方案的設計人,實驗的主持人? 答案很清楚,是吳健雄先生,她才是實驗的靈魂人物。如果實驗選一個人為代表,非吳健雄莫屬。這樣李政道、楊振寧加上吳健雄不是正好嗎?但歷史事實不是這樣。後來,有包括李政道在內的多名諾獎得主曾為吳健雄先生提名諾貝爾物理學獎,但始終未能成功。為什麼會造成這種遺憾,當時諾獎評選時是如何考慮的?這個問題只有等到諾獎解密的一天了。

吳健雄雖未獲得科技界的最高獎——諾貝爾獎,但她在實驗物理上取得的傑出貢獻還是被國際物理界所認可的。1987年她獲得有較高聲譽的沃爾夫獎以及以後又獲得許多重要物理獎。

吳健雄先生在物理上還有多項重要成就。她參加曼哈頓計劃時發現鈾裂變時產生氙,她深入研究了氙的中子吸收截面,對原子彈的成功製造極為關鍵;她是β衰變研究的權威,以堅實的實驗資料確定了費米理論的正確性;她和合作者發現弱作用與電磁作用一樣都存在4.7 倍的磁矩反常值,啟示了以後粒子物理標準模型電-弱統一理論的創立。吳先生還是μ型原子物理研究的先驅,是無中微子的雙β衰變研究的開拓者。

總之吳健雄先生的實驗研究工作面廣而深,以思想創新,作風嚴謹,資料準確、可靠而聞名於科學界。李政道先生評價她是二十世紀最傑出的物理學家之一,在實驗物理學研究上取得了偉大的成就,對當代物理學的發展起到了極重要的推動作用。

03

心繫科學教育,力促中國高能上馬

吳健雄及丈夫袁家騮雖長期在美國工作和生活,但仍念念不忘中國科學教育的發展。在鄧小平接見時為科學教育如何發展,如何培養人才提出過許多中肯的建議(圖1)。還闡述過重視基礎科學,在中國建立高能物理實驗基地的建議。

經過認真思考和調研,1977年他們夫婦二人和李政道先生一起寫信給當時的高能物理研究所所長張文裕先生,提出中國高能加速器建造應選擇省錢,有豐富物理目標的方案。1981 年初由於國民經濟調整,八七工程,即40GeV的高能質子加速器建設下馬,吳健雄夫婦聽說後非常著急,並和李政道商議如何推動中國的高能物理實驗基地的對策。他們建議中國應立即派專家赴美洽談。不久,高能所的朱洪元、謝家麟到了美國與李政道、潘諾夫斯基、吳健雄、袁家騮以及美國幾個高能物理實驗室的專家開會討論中國高能物理的前景(圖2)。會後一致同意在中國建造2×2.2GeV正負電子對撞機是最好的方案,造價只有八七工程的三分之一,且物理窗口內容豐富,又可以做同步輻射應用研究,能達到一機兩用的效果。朱洪元、謝家麟二位徵求了在美訪問的中國學者的意見,得到「基本同意此方案」的回應。他們回國後又徵求了國內同事的意見,也獲得了大多數贊同的回答。最後經過多方努力,特別是李政道和鄧小平、方毅的頻繁溝通,最終該方案獲得批准。

圖2 朱洪元(右3),謝家麟(右1),吳健雄(右2),威爾遜(右4)等在美國討論中國高能加速器方案

1981年12月鄧小平對中科院上呈的建造北京正負電子對撞機方案檔案批示如下:這項工程已進行到這個程度,不宜中斷,他們所提方針比較切實可行,我贊成加以批准,不再猶豫。

小平同志一錘定音,結束了中國高能加速器「七上七下」的坎坷歷史,為中國高能物理發展掀開了新的一頁。李政道、吳健雄、袁家騮對中國高能對撞機的上馬功不可沒。1984年北京正負電子對撞機建設開始,1988年建成,歷時四年。在此期間,吳健雄夫婦一直關心、支持北京正負電子對撞機工程的建設。

04

訪問高能所,關心基地建設

自1984年起吳健雄、袁家騮夫婦曾多次訪問高能所,我參加接待的有兩次,記得一次是1986年,另一次是1988年。兩次都在北京正負電子對撞機工程的建設期間。

當我第一次近距離見到這兩位仰慕已久的、世界著名的物理學家,而且能聆聽他們談話時,心情是非常激動的。

他們和藹可親,謙虛平和的態度和對科學事業由衷關懷之情給我留下了極深的印象。吳健雄先生講話帶有蘇州口音,綿綿細語,而袁家騮先生則是持北方口音,聲音宏亮。為了表達確切,他們講到某些專業術語時則用英語。葉銘漢先生(時任高能所所長),謝家麟先生(時任對撞機工程經理)向他們介紹對撞機工程進展時,他們非常認真地聆聽,不時提出問題,如:你們怎樣保障工程進度?你們的經費夠不夠?

謝家麟先生回答說,我們嚴格按CPM(關鍵路線控制)計劃做,每週檢查一次。同事們的工作熱情很高,高能所許多人為了按時完成任務,經常加班加點,節假日也不休息。我們有的研究人員為了保證加工質量,長期在生活條件艱苦的地方駐廠,這樣既保證了進度又保證了質量。吳健雄說大家做工程很辛苦,只有能吃苦才能取得成功。

葉銘漢先生說對撞機工程得到了全國的支持,參與這項工程的有數千人。工程四人領導小組起到了很好的協調、管理和排程作用。工程經費雖緊,但我們想辦法在保證質量的前提下儘量不超支。在工程領導小組協調下,工廠只收成本費,省了不少錢。

會見後大家高興地合影留念。然後他們到對撞機、譜儀和同步輻射實驗室現場參觀(圖3)。參觀時,吳健雄和袁家騮夫婦的興趣極高,時常會提出專業性很強的問題和建議,大家領教到一位實驗物理學家(吳健雄)和一位加速器、探測器專家(袁家騮)的真才實學。當他們知道加速器、譜儀和同步輻射主要部件都是在國內生產時,非常高興,十分讚賞我們這種自力更生的精神。

圖3 吳健雄、袁加騮參觀對撞機磁鐵

另一次會見是在1988年10月,參加人員有高能所新一屆領導班子和工程經理,以及工程總師們(圖4)。當吳健雄、袁家騮從座談中知道對撞機和譜儀工程建設基本完成,加速器正在調試束流,爭取早日實現正負電子對撞時,他們十分高興,並表示祝賀。我記得吳健雄說,當時選擇正負電子對撞機方案考慮到價格相對便宜,物理目標豐富,但也有挑戰,即技術難度要比打固定靶的加速器大得多,當時是有些擔心的。你們現在經過努力,克服了各種技術難關,真了不起,值得祝賀。

圖4 1988年的一次會見。第一排左起謝家麟、葉銘漢、袁家騮、吳健雄、方守賢、鄭林生。後排左起李德中、鄭志鵬、王津、王迪、石寅生、徐紹旺、馬彤軍、陳森玉、章炎、王恆久

會見後不久的1988年10月16日對撞機實現了正負電子成功對撞,我們將這一訊息第一時間告訴了他們。他們當然非常興奮,這是他們期待已久的結果。

三十多年後的今天,北京正負電子對撞機(BEPC)和北京譜儀(BES)經過不斷地升級改造,現已成為世界八大高能實驗室之一,在τ-粲物理研究領域不斷取得國際一流水平的成果,已在世界高能物理佔有一席之地。飲水思源,大家不會忘記中國高能物理基地的開拓者李政道、吳健雄和袁家騮的功績。

05

一次難忘的會見

1992年5月31日在北京釣魚臺國賓館舉辦了中國當代物理學家聯誼會。這是一次具有歷史意義的盛會,有三百餘位來自海內外的老、中、青三代物理學家。我很榮幸參加了這次大會。我看到了老一輩的物理學家嚴濟慈、趙忠堯、周培源、王淦昌,美籍華人物理學家李政道、楊振寧、吳健雄、袁家騮、任之恭、顧毓秀、朱經武,以及來自台灣的吳大猷。會議由朱光亞和李政道主持,嚴濟慈、趙忠堯、周培源、吳大猷、吳健雄、任之恭、汪德昭、王淦昌等先後講話。他們講到人生體會,對科學事業執著的追求,所做出的科學成就,給與會者留下極深的印象。會議休息時間,全體參會代表受到江澤民等時任國家領導人的接見,併合影留念。

會後又組織了一些活動,由老一輩的科學家同與會的中青年代表會面。我很榮幸同吳健雄會見交談(圖5)。她見到我一面握手一面問:「 對撞機、譜儀怎樣啊?」我回答說,「對撞機亮度很高,譜儀運行良好,中美物理學家合作剛完成了τ輕子質量測量實驗」。她說:「我聽李政道提起過這個實驗,證實了輕子普適性理論,很重要」。她接著與下一位同志,高能所的張闖握手交談,詳細詢問了BEPC運行的情況,在得知BEPC的對撞達到了設計指標,實現了穩定高效運行時,她連聲說:「好,好!」

圖5 親切的會見(吳健雄(左1)、鄭志鵬(右2)、張闖(右1))

在茶歇時,我和吳先生又一次見面,接著交談。她問我「你們是什麼原因想到做τ輕子質量測量實驗的?」我說:「是在八十年代末,根據當時國際權威的PDG(粒子資料組)給出的質量值,發現τ輕子的弱耦合常數不等於μ輕子的耦合常數,即輕子普適性假設可能破壞了。我們決定在北京譜儀上重新測量τ輕子質量」。她問你們用的什麼方法?我回答說「用能量掃描法,逐漸逼近τ的產生閾值。這與通常測量產生截面的擬合方法不同」。她又問:「你們結果如何?」我回答說:「精度比PDG的結果好了10倍,關鍵是我們測量到的質量比以前世界平均值小了7 MeV,按照這個新的測量值,標準模型的輕子普適性假設是成立的」。

她說:「你們的方法創新才有這樣好的結果。你說這個實驗也有美國人參加?」我說:「是的,1991年成立了北京譜儀合作組,美國有十所大學,研究所的二十位物理學家參加,加上中方的近百位來自高能所和幾所高校的物理學家,大家一起合作完成了這項實驗」。我們在請吳健雄在一張繪有BEPC上τ輕子質量精確測量結果的紀念封上簽字時,她興奮地說:「我的兩個夢想現在都變成了現實,一個是中國人在自己的加速器和譜儀上做出了世界級的物理成果;另一個是海峽兩岸的中國科學家在自己的國家裡歡聚在一起……」

後來我們的話題轉到了另一個我參加過的48Ca無中微子的雙β衰變實驗上。是她先提出的,她說:「你和葉銘漢等人做的48Ca 無中微子的雙β衰變實驗,當時是怎樣想到要做此實驗的?」。我說:「選擇這個題目是受到何祚庥、慶承瑞的啟發,讓我們了解到無中微子的雙β衰變實驗非常重要,可以檢驗輕子數是否守恆及中微子的屬性(狄拉克型或馬約拉納型)。從諸多同位素中我們選中了48Ca 是因為受了你們實驗的啟示,其衰變能為4.27 MeV,比較大,因而易於探測。你們實驗用火花室,我們用的是CaF2晶體,之所以選擇CaF2晶體是因為它既含有適量的48Ca 同位素,同時配上光電倍增管後可作探測器,記錄電子或其他帶電粒子。我和祝玉燦了解到當時長春光機所能生長出國內最大的CaF2晶體,到長春光機所協商後他們同意租借給我們四塊總重達37千克的大質量CaF2晶體(含43克48Ca同位素)。於是我們將實驗的初步設想告訴了葉銘漢,他聽後十分支持這一設想,同意參加實驗,和我們一起確定了實驗方案,並派他的研究生遊科,作為博士論文課題也加入到實驗中來,在實驗中起了重要作用」。吳健雄靜心地聽後問:「你們的實驗在哪兒做的?」。我說:「在北京郊區門頭溝的煤礦井下512 米深處下做的。這樣可以大大減小宇宙線本底,但工作條件很艱苦。在那裡連續取數七千五百多小時。得到了48Ca 無中微子的雙β衰變半衰期下限」。吳健雄說:「從去年的Phys. Lett. B*雜誌上看到你們的結果,比我們的結果好了4倍」。我說:「我們的實驗是從你們實驗得到啟發後才做的。結果還不錯是因為有大質量的CaF2晶體,又加上在礦井下,再加上探測器周圍厚厚的遮蔽體,使本底降低了五個量級」。

我們的談話輕鬆愉快,但因她還有別的安排,我只好終止談話,與她告別了。此次接見和談話三十年過去了,但我至今還記憶猶新,彷彿就發生在昨天。現在想起來,我真的很榮幸,能有機會接觸到吳健雄先生這位傑出的物理學家,能親耳聆聽她的講話,面對面地與她談話,並從中受益匪淺。我很幸運,很幸福,也希望更多人能分享到這種幸福感,能更多地了解這位中華民族科學史上百年難遇的「東方居里夫人」,這就是我寫此文的初心。

* 我們的文章發表在:Phys. Lett. B 265.53.1991, 給出的結果: 48Ca無中微子的雙β衰變半衰期下限為0.69×105。吳健雄實驗結果為1.61×105

本文選自《現代物理知識》2022年第2期 YWA編輯