吴健雄：在宇称不守恒发现中的不朽贡献（上-02）
05 吴健雄 1956年5月6日
吴健雄在1956年5月6日之前就开始思考和设计β衰变相关实验，这是判断吴健雄贡献远重要于其他实验者和合作者的关键之处。
左：吴健雄漫画文：“因为她精通β 衰变，她知道如何寻找；因为她是如此细心的研究员，她用困难的实验证实了费米的理论是正确的。许多人认为，吴健雄应该共享1957年诺贝尔物理学奖，但她没有。” 绘画：Rebecca Huang 。
右：费米教授（1901-1954）
1956年5月上旬，在与李政道讨论后，吴健雄提出了β 衰变检验宇称的实验思想和方法，这应该是李政道和杨振宁1956年6月22日论文中所建议关键和的具体的实验的思想来源，也应该是他们在论文中感谢吴健雄的原因。
“解决对称破坏这一问题的最后推动力，几乎完全来自实验方面。”
——李政道 《破缺的宇称》 1986年
1950年代，吴健雄在哥伦比亚大学的实验室，当时，她已是β 衰变实验领域的世界权威。
在1945-1952年间，我完全沉浸于β衰变的实验研究，那是β衰变一个激动人心的时期。尽管从1952年开始，我的兴趣慢慢离开了β衰变，但它依然像一个老朋友一样在我内心深处。珍藏在我心中的一个特别位置。1956年初春的一天，当我的同事李政道教授来到我位于普平物理实验室13楼的小办公室时，这种感觉被再次点燃。—— 吴健雄 1983年 The discovery of the Parity Violation in Wake Interactions and Its Recent Developments
1956年4月罗切斯特会议后，李政道和杨振宁对他们5月初在哥伦比亚大学第一次会面的具体日期各有说法，但李政道在5月6日之前已经与吴健雄讨论了在β衰变中检测宇称实验的可行性。
1996年出版的江才健著作《物理科学的第一夫人——吴健雄》中写道，吴健雄从5月6日已经开始积极思考和准备相关的实验。
李政道和吴健雄是哥伦比亚大学物理系的同事，也是相知深切的好朋友。吴健雄年长李政道14岁，是李政道的师长辈，李政道有问题时也经常找吴健雄讨论。
1948年，22岁的李政道第一次在哥伦比亚大学见到吴健雄时，她已是世界顶级的β 衰变实验权威，而他当时还是芝加哥大学的博士研究生。当时，吴健雄在实验室向李政道介绍自己正在进行的β衰变实验，实验的结果是否定了科诺平斯基-乌伦贝克理论，与李政道的博士导师费米的理论吻合。
李政道表示同意，他说：“这很好，反正费米的理论一定是对的，我完全接受了她的结论。从此我与健雄建立起了长达半个世纪的非常亲密的工作和私人关系。”
1956年5月初，当李政道思考弱作用中宇称守恒的问题时，他想到了弱作用实验领域的β衰变专家吴健雄，并向她请教。他回忆道：
β 衰变是一个有长久研究历史的领域，那时已经有了大量可供利用知识。由于宇称守恒一直是一个在所有分析中都不言而喻的假设，宇称的概念被广泛地应用，因此，需要非常慎重地去检验所有已经有的实验事实，去看一看宇称守恒是不是能够推广到β 衰变。β 衰变领域世界上最权威的专家之一是吴健雄，她的办公室就在哥伦比亚大学比我的办公室高几层的楼上。我访问了她，告诉她这些想法，她对此非常感兴趣……
1997年2月16日，吴健雄在纽约逝世，5月30日，李政道在北京大学 “纪念吴健雄” 会议上发表演讲，讲述1956年5月初的一天，他从哥伦比亚大学物理系8楼办公室到13楼吴健雄的办公室公的情形：
我对健雄讲了一下高能物理中K 介子的θ-τ之谜，同时也讲了一下原因可能是宇称不守恒。假如宇称不守恒，β衰变中一定可以做出结果的。怎么去检验? 那天我们讨论了很多方案。用Co-60是健雄提出来的。我离开以后，她认为这是一个 “黄金机会”，也是对她的一个挑战。因为这类实验从来没有人做过，虽然宇称这个观念在β衰变里已经用得很多了，而且大家都以为宇称守恒当然是对的，可是从来没有被检验过。所以这个实验是很难的，是一个挑战。
1956年我和杨振宁在理论上建议了宇称不守恒，而实验上的确定是健雄做的。
她的文章于40年前的（1957年）2 月15 日发表在《物理评论》（Physical Review ）第105 卷的第1413 页上。紧接着她的论文，加温、莱德曼和温里克（M. Weinrich）在第1415页上发表了π的μ子衰变和μ子的电子衰变，得到了同样的结论。在同一卷的第1681页，还有特莱格迪（V. Telegdi）和弗里德曼（J. Friedman）的文章，等等。在以后的半年之内，大概有几百个这方面的实验出来。
1972年，吴健雄在发表于《实验物理探险》的自述文章中写道：
……1956年早春的一天，李政道教授来到普平物理实验室第十三层我的办公室。他先向我解释“θ-τ之谜”。他继续说，如果θ-τ之谜的答案是宇称不守恒，那么这种破坏在极化核β衰变的空间分布中也应该观察到：我们必须去测量赝标量（σ· p），p是电子的动量，σ是核的自旋。
在这一次的讨论中，吴健雄说：“不幸的是，我未能为他提供任何来自β衰变的赝标量（σ· p）信息。以前所有的β衰变研究的基本上只是“标量”，比如β-光谱的形状和强度或半衰期。”
两人讨论了多种实验方案，包括β衰变实验的可能性。5月6日，吴健雄开始积极准备用衰变检验宇称守恒的实验。她回忆道：
……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衰变物理的学者来说，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？......那年春天，我的丈夫袁家骝和我打算去日内瓦参加一个会议，然后到远东去。我们俩都是在1936年离开中国的，正好二十年了。我们已经预订了伊丽莎白王后号船票。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去做。于是我请求家骝让我留下，由他一个人去。
......五月底，春季学期结束后，我开始认真准备这个实验……9月中旬，我终于去了华盛顿特区，第一次会见到了安伯勒博士……当实验在华盛顿进行期间，为了教学和其他研究事务，我必须穿梭于华盛顿和哥伦亚大学之间。在圣诞节前夕，机场因大雪而关闭，我乘末班火车回到纽约。我告诉李教授我们观察到的不对称是可以重复的，而且很大。不对称参数几近于-1. 李教授说非常好，这个结果正是中微子二分量理论所期望的。
李杨在有关宇称问题的研究合作中的叙述虽有不同，但根据他们以及吴健雄的叙述和回忆，以及相关论文的内容的分析，应该可以确定以下事实：
1
1956年5月6日之前，在李政道和吴健雄的第一次讨论中，两人就讨论了β衰变中宇称不守恒问题，以及在测量中需要考虑赝标量，而考虑赝标量的思想是李政道在4月与斯坦伯格的讨论中提出的。吴健雄告诉他：已有的β衰变实验中没有关于宇称守恒与否的实验，因为测量中用的是二维标量，没有用过三维赝标量；两人讨论了用赝标量在β衰变实验中检验宇称守恒的问题；从5月6日开始，吴健雄开始考虑并决定做这个实验，她放弃了已订好船票的暑假到欧洲和台湾的访问计划；
2
1956年5月中下旬，当李政道告知低温下极化原子核技术时，吴健雄立即指出最好用钴60作为β衰变放射源来检验宇称守恒问题，而不是用核反应器产生的极化核或极化中子束；
3
根据江才健著《物理科学第一夫人——吴健雄》，1956年6月4日，吴健雄打电话给国家标准局专家安伯勒，讨论在低温β衰变中检验宇称守恒的实验；7月24日，吴健雄致信安伯勒，告知她已在液态氦极低温度环境中探测衰变的实验中，得到满意效果，如果没有其它突发技术问题，他们应该见面讨论；但因为安伯勒在8月要休假两周，因此，直到9月中旬，吴健雄才到华盛顿特国家标准局，第一次与安伯勒会面。
这些记录表明：在与李政道讨论的中，吴健雄基于李政道的想法，已经提出了β衰变检验宇称守恒的具体实验的思想和方法，这也是李杨6月22日论文中相关实验方法的来源，这也是他们在论文中感谢吴健雄的原因。吴健雄参与宇称不守恒研究的时间，远在李政道和杨振宁6月22日论文成文和投稿之前。
因此，吴健雄并不是在得知李杨6月22日论文完成后，才开始思考和开展β衰变相关实验的，这说明吴健雄的贡献远重要于其他实验者和合作者。
06 “用Co-60是健雄提出来的”
左：吴健雄设计的β衰变实验方案 来源：李政道 1997年5月30日 北京大学演讲。
左：杨振宁1957年12月11日 在瑞典科学院诺贝尔演讲中的衰变实验示意图，称这是他和李政道1956年夏天提出的实验。来源：杨振宁 1957年12月11日在瑞典科学院的诺贝尔演讲
在1957 年2月15日发表Experimental Test of the Parity Conservation in Beta Decay论文中，她以第一作者的身份，第一次用实验否定了宇称守恒定律，同时也否定了粒子-反粒子对称的假设。对称和守恒是物理学的基础，但这两个很重要的定律和假设都被健雄的实验推翻了。所以，这是一个划时代的实验。
——李政道 1997年5月30日 北京大学吴健雄纪念演讲
吴健雄在宇称不守恒发现中的关键贡献，是提出并实现用钴60作为β衰变放射源来检验弱作用中宇称是否守恒的问题。
1956年5月中下旬的一天，在布鲁克海文实验，李政道和杨振宁室遇见了物理学家哥德哈伯。当哥德哈伯听说他们正在写一篇论文时，就告诉他们英国牛津大学的科学家们已经能够把原子极化。这个技术启发了两人在论文中提出的两种实验技术之一的关键技术，也应该是他们在6月22日的论文中感谢哥德哈伯的原因。
李政道回到哥伦比亚大学，再次去向吴健雄请教β衰变的有关实验问题。吴健雄问：是否有人提出用什么具体的想法来做实验？李政道说哥德哈伯提出过用极化原子技术来检验，吴健雄立即指出，最好是利用钴60作为β衰变放射源来进行极化原子核实验。她回忆说：
在李政道教授离开我的办公室之前，我问他是否有人提出过有关这个测试的想法。他说，有人建议用核反应器中产生的极化核或反应器中产生的一个慢中子束。然而，不知为什么，我非常担心这两种方法的使用。我建议最好是使用钴60作为β放射源，并以绝热退磁方式极化它，这种方法的极化率可高达65%。李博士对钴60β放射源的高极化率非常感兴趣，他向我借了一本使用这种方法的参考书。
对这一过程，1957年12月11日，杨振宁在瑞典科学院诺贝尔演讲中说：
李政道博士和我在1956年夏提出了涉及β衰变，
，
及奇异粒子衰变的一系列实验。所有这些实验的基本原理全部都一样：安排两套实验装置，它们互为镜像且包含弱相互作用。然后检查这两套装置仪表上的计数是否总是相同。如果读数不同，就毫不含糊地证明左右对称性不成立。此想法示于图2，它描述用以检验β衰变中宇称是否守恒的实验。
这个实验首先由吴健雄、安伯勒（E. Ambler）、海沃德（R. W. Hayward）、霍普斯（D. D. Hopper）和赫德逊（R.P Hudson）在1956年下半年着手进行而于今年初完成。实际的实验装置非常复杂。因为要消除外界干扰的影响，实验必须在极低温度下进行，把β衰变的测量和低温装置结合在一起是前所未未闻的，这是主要困难之一。这个难题被吴健雄她们成功解决了。这过去一年中关于宇称问题的惊人重大发现，应归功于她的勇气和技巧。
1982年，杨振宁在《吴健雄证明了宇称不守恒》中写道：
一种可能的做法是测量极化β衰变的方向分布。但困难在于如何使核极化，而我和李政道都不知道当时已能通过低温技术使核极化。后来，哥德哈伯、吴健雄等人谈及这个问题，我们才知道有这样技术，于是便提议：用钴60来研究，可能是很合适的。
相比较于李政道和吴健雄对具体过程的描述，杨振宁的回忆较为笼统，这可能是由于空间和时间的限制，杨振宁很可能没有机会直接与吴健雄讨论这方面的问题。而李政道因为和吴健雄同在哥伦比亚大学物理系，有更多的机会直接讨论和交流。
在1962年5月12日出版的《纽约客》杂志上，理论物理学家伯恩斯坦（Jeremy Bernstein 1929--）发表文章 “宇称问题侧记” 表明，杨振宁说他记不准在有关检验弱作用的实验想法是怎么得来的。文章写道：
“回顾过去，像李-杨做出的发现，看起来容易，但对发现者来说就不一样了。最近，我和杨讨论了这一问题。他试着描述了一个人在这种情况下的心理过程……杨已记不准他和李要去检验过去有关弱作用实验的想法是怎么得来的了。但是他却记得是什么时候、在什么地方。那是五月初，他刚刚驾车从厄普顿（布鲁克海文实验室所在地）到纽约访问李。他把李从哥伦比亚大学的办公室接上车……他们便去附近的白玫瑰咖啡馆。他们坐下来开始讨论。这时，他们忽然有一个想法。突然，他们明白了，应该去检查一个又一个弱作用实验的结果，去看一看有没有任何有关宇称不守恒的信息。”
07 西格邦1955年出版 《β和伽马射线光谱学》
左：凯·西格邦（K. Siegbahn，1918-2007）瑞典物理学家, 1981年诺贝尔物理学奖得奖者
右：1955年出版的《β和伽马射线光谱学》
1955年由西格邦编辑出版的《β和伽马射线光谱学》论文集，其中有两章由吴健雄撰写。吴健雄借给李政道的这本书，像一束光，启发了李政道和杨振宁研究中的新思路。
两人通读了西格邦的这本书，吃惊地发现已有的β衰变的结果和宇称守恒与否并没有关系；尽管宇称守恒定律作为被科学界早已接受的普遍定律，但事实上在弱相互作用方面却完全没有实验证据。他们终于找到了解决问题的方向。
对这一过程，李政道1986年在《破缺的宇称》中写道：
我访问了她，告诉她这些想法。她对此非常感兴趣，把西格邦编辑的β衰变的权威书籍借给我看。那时，杨和我对宇称算符P的实质意义都还不清楚……
杨和我开始系统地用推广的宇称不守恒作用对所有已知的β衰变现象进行研究。我们很快读完西格邦的书，经常保持电话联系。我们花了两个星期的时间完成了全部的β衰变分析……
最后，我们读到西格邦书结尾，用这一新的相互作用重新推导了全部老公式，到那时就清楚了，并不存在任何一个证据，证明β衰变中宇称是守恒的。我们又会合在一起校对计算手稿。在讨论中我们认识到我们是多么愚蠢，为什么那些复杂的Ci*Cj’、干涉项互相消去，这应该有一个非常简单的理由。当我们停止计算、开始思考，在非常短的时间里事情就清楚了，不存在证据的理由是一个简单事实，就是没有任何人曾试图从看来似乎是左右对称的安排中去观察一个赝标物理量!
在1957年12月11日诺贝奖颁奖礼的演讲中，杨振宁讲述当时的思想状态：
在并没有实验支持的情况下，长期以来，人们竟错误地相信弱相互作用中宇称守恒，这个事实本身就是令人吃惊的。然而，更令人吃惊的是，物理学家如此充分了解的一个空间时间对称定律可能面临破产。我们并不喜欢这种可能。我们是由于试图理解θ-τ之谜的各种努力都遭到挫折，而被迫考虑这种可能。
在弄清楚这些问题的基础上，1956年5月底，李政道和杨振宁决定应该在弱相互作用中用赝标量去检验宇称是否守恒，两人准备撰写一篇论文。
08 “吴实验”（Wu Experiment）
吴（健雄）向李（政道）建议：不要用产生于反应器的极化核，或者是产生于反应器的一束极化慢中子束，“最好的方法是用绝热去磁化极化的钴60作为β衰变源，这种方法的极化率可高达65%。”在当时不能保证宇称可能不守恒的情况下，吴决定自己来这个实验……
1956年6月4日，吴打电话给国家标准局的欧内斯特·安伯勒，他热情地接受了她的提议：利用标准局的原子核专家和设备做这个实验。
——1997年10月 《今日物理》 “吴健雄逝世” 作者：理查德·加温 李政道
在确定用钴60作β衰变实验的放射源后，吴健雄需要有低温设备的实验室，因为她设计的实验需要低温物理实验装置。
她找到的是哥伦比亚大学的物理学家加温（Richard Garwin，1928-）。
28岁的加温当时工作于IBM设在哥大的华生实验室，他既是IBM的高级研究员和技术主管，也是哥伦比亚大学物理系的年轻教授。1946-1949年，加温和李政道、杨振宁均在芝加哥大学攻读博士。加温是费米的实验物理博士生，21岁获得博士学位。费米曾说：加温是他见过的唯一真正天才。1952年，24岁的加温是第一枚氢弹的设计者。
也许，更为有趣和重要的是，1957年1月5日，在获知吴健雄实验组的最初结果后，加温和同事莱德曼立即动手做李-杨论文中建议的第二个实验，并在四天后获得结果，成为第二个证实宇称不守恒的实验，两篇论文同时发表在2月15日的《物理评论》上。不过加温和莱德曼从未认为自己的贡献比吴健雄更重要。四十年后，1997年3月，69岁的加温还在《自然》撰文，称赞吴健雄在宇称不守恒发现中的原创性贡献。
1956年5月底，当吴健雄表示希望加温和她共同来合作验证宇称守恒的实验时，加温正在领导IBM的一个100多人团队的超导计算机的研究计划。他表示没有时间和她合作，但建议吴健雄与华盛顿国家标准局的科学家合作，那里有低温技术专家和可进行原子核极化的低温实验室可进行原子核极化实验。于是，吴健雄找到了位于华盛顿特区的国家标准局。
1956年6月4日，吴健雄在纽约哥伦比亚大学办公室，打电话给华盛顿特区的国家标准实验室的欧内斯特·安伯勒，邀请他共同进行检验β衰变中宇称是否守恒的实验。吴健雄在电话中向安伯勒讲述了她的实验构想。安伯勒问：这个实验的β衰变效应会显示出很会大的不对称效应吗？吴健雄说应该会。
安伯勒是一位低温物理学家，1956年33岁，两年前在英国牛津克莱文登实验室获得博士学位，由此，他成为1956年国家标准局参与b衰变实验的负责人。1988年，安伯勒已经是国家标准局局长，他在官方口述历史中回忆，自己当时是一个初出茅庐的新手，还不知自己未来对物理学的贡献会在哪里，对于哥伦比亚大学资深物理学家的合作邀请，感到荣幸。
之后，吴健雄与安伯勒进行了多次电话交流，同时，安伯勒也在征求国家标准局主管同意，在国家标准局开展这项实验。6月22日之后，吴健雄还将李-杨论文预印本寄给了安伯勒。7月24日，吴健雄致信安伯勒，告诉他自己已经在为液氦极低温环境中探测β衰变实验的准备，建议两人会面讨论，但因安伯勒在8月要休假两个星期，他们第一次会面是在9月中旬。在此期间，吴健雄再次找加温合作，加温太忙，仍建议她与国家标准局专家合作，进展会更快，尽管在纽约和华盛顿间往返会劳累一些。
在吴健雄积极准备实验时，李政道杨振宁的论文已在物理界传播，但当时绝大多数同行对宇称可能不守恒持相当的怀疑。
第一个做实验的是吴健雄。第二个是芝加哥大学的特莱格迪教授（V.L.Telegdi）——1956年8月，他在列昂哪·马歇尔（Leona Marshall）的办公桌上看到李-杨论文的预印本，于是他的实验组按李-杨论文中建议的另一个方案做实验，其间他回到欧洲两个月，处理家庭事务，1957年1月，在获知吴健雄实验组的最初结果后，匆忙写成论文，成为第三篇证实宇称不守恒的论文。特莱格迪也曾对于自己未能率先发表结果而耿耿于怀。
9月中旬，吴健雄第一次来到国家标准实验室与安伯勒会面。安伯勒带她参观实验室，介绍她认识后来密切合作的同事们。经过短暂的磨合后，吴健雄和国家标准局的四位科学家组成实验组。在实验进行过程中，吴健雄在哥伦比亚大学还有教学和研究工作，因此，在华盛顿做实验期间，她基本上每周穿梭于国家标准局和哥伦比亚大学之间。
在1962年5月12日《纽约客》发表的文章《宇称问题侧记》中，杰米·伯恩斯坦写道：在让实验物理学家们去做工作之前，李和杨除了等待之外不能做什么事......
参考文献
[1]李政道： 吴健雄和宇称不守恒实验 2015.12.09. 赛先生
[2]江才健 著 《物理科学的第一夫人》 复旦大学出版社 1997.3
[3]季承 柳怀祖 滕丽 编 《宇称不守恒发现之争论解谜 – 李政道答《科学时报》记者杨虚杰问及有关资料》 2003.4
[4]江才健 著 《规范与对称之美——杨振宁 传》 台湾天下远见出版股分有限公司 2002.10
[5]《杨振宁文集 传记 演讲 随笔》 华东师范大学出版社 1998.4
[6]National Medal of Scienct Chien-Shiung Wu (1912-1997) https://www.nsf.gov/news/special_reports/medalofscience50/wu.jsp
[7]Massive Science: Meet Chien-Shiung Wu, the nuclear physicist who developed revolutionary experiments
https://massivesci.com/articles/chien-shiung-wu-manhattan-project-nuclear-physics-nobel-prize/
results.
[8]National Woment's Hall of Fame Chien-Shiung Wu：
https://www.womenofthehall.org/inductee/chienshiung-wu/
[9]科学春秋：李政道杨振宁遭遇冷处理:60年前中国人第一次获诺奖
https://mp.weixin.qq.com/s/E4kKXPTQFS7GrDfxpV8Bqw 1/35
[10]Oral History Program Ernest Amber interview Karma Beal July 7, 1988
[11]Thirty Years Since Parity Nonconservation ---- A Symposium for T.D.Lee Edited by Robert Novick Boston: Basel: Birkhauser 1988
[12]Magdolna Hargittai: Credit where credit’s due? 13 Sep 2012 Physics World
[13]Chen-Ning Yang: Weighing in on Wu’s legacy Dec 2012 Physics World
[14]CNN：Postal service honors Japanese American vets and a Chinese American scientist with new stamps https://www.cnn.com/2020/12/08/us/postal-service-asian-american-stamps-trnd/index.html
[15]1. National news Nov. 17, 2020 Hello, 2021
[16]U.S. Postal Service Announces Upcoming
Stampshttps://about.usps.com/newsroom/national-releases/2020/1117-usps-announces-upcoming-stamps.htm
[17]Physics: CHIEN-SHIUNG WU FEATURED ON USPS FOREVER STAMP
[18]USPS: National News: Nuclear Physicist Chien-Shiung Wu to be Honored on a U.S. Postal Service Commemorative Forever Stamphttps://about.usps.com/newsroom/national-releases/2021/0201ma-nuclear-physicist-chien-shiung-wu-to-be-honored-on-forever-stamp.htm
[19]USPS: Chien-Shiung Wu Commemorative Forever® Stamp https://about.usps.com/newsroom/events/chien-shiung-wu-commemorative-forever-stamp-ceremony.htm