12.11 諾獎史上,最心塞的不公正是做出最有價值貢獻的科學家卻受到冷落

從炸藥鼻祖阿爾弗雷德•諾貝爾(Alfred Nobel)在1895年通過遺囑設立,並於1901年首次頒發以來,諾貝爾獎每年都會見證並獎勵幾項造福人類的科學進展,以及數位創造卓越的科學家(一戰與二戰期間諾貝爾獎曾數次中斷頒發)。

不過按照現行的評獎規則,諾貝爾獎的每個獎項最多都只能有三名獲獎者。這條評獎規則使得許多同樣做出了極大貢獻的候選人無緣此殊榮。

但拋開規則限制,在諾獎的百年曆史中確實有過嚴重的不公。其中有一次發生在二戰期間。

理應獲獎的她們

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麗絲•邁特納

麗絲•邁特納(Lise Meitner)是奠定核裂變研究基礎的重要科學家之一,卻從未獲得諾貝爾獎。1944年的諾貝爾化學獎頒給了納粹科學家奧托•哈恩(Otto Hahn),表彰其發現核裂變這一重大成果。

但事實是他曾經的合作者——猶太科學家麗絲•邁特納才是真正核裂變的發現者。納粹德國的政治陰霾下,整個猶太民族都在遭受著巨大苦難,而這位把一生都交給科學,同時也是堅定的和平主義者的猶太女科學家,不僅從未獲得諾貝爾獎,更是被迫離開了德國。

另一次重大的不公,也是非常難以理解的不公,產生於1957年的諾貝爾物理學獎——楊振寧和李政道提出的宇稱不守恆定律幫助他們斬獲大獎。

但我們需要深究一點:一項重大科學研究(尤其是物理學領域)往往是由理論模型和實驗探究組成的。只有觀測到實驗現象,我們才能驗證、證實或反駁某個理論。

而宇稱不守恆定律的實驗驗證者吳健雄,卻根本沒有被諾獎委員會放入這一重大研究的貢獻者隊列。

這位被譽為“核物理女王”的華裔實驗物理學家與美國國家標準局的科學家們一起得到了能證明亞原子間弱相互作用中的宇稱不守恆的第一個實驗證據,從而成為首位榮獲美國研究合作獎(Research Corporation Award)的女性。

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吳健雄在美國哥倫比亞大學的實驗室中

什麼是宇稱守恆

所謂的“宇稱”可以理解為“左右對稱”或“左右交換”,而所謂的“宇稱不變性”就是“左右交換不變”,或者說“鏡像與原物對稱”。鏡像對稱普遍存在於自然界的事物中,而在物理學中,對稱性具有更為深刻的含義,它指的是物理規律在某種變換下的不變性。

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物理學家們在很長一段時間內都認為所有自然規律在鏡像反演下都保持不變。以牛頓運動定律的實驗為例,如果我們為整個實驗擺放一面鏡子,那麼我們在鏡中看到的物理規律與實際規律完全相同。鏡中的運動小球除了運動方向與真實小球相反,其他規律都是一致的。這就是所謂的力學規律對於鏡像反演不變,具有空間反演不變性。

麥克斯韋方程組和薛定諤方程也都具有此性質。而物理學家們也引入了“宇稱”概念去描述與空間反演對稱性相聯繫的物理量。

“宇稱守恆定律”由鏡像對稱性引伸而來,它指的是在任何情況下,任何粒子的鏡象與該粒子除自旋方向(相當於牛頓運動定律實驗中的小球運動方向)外,具有完全相同的性質。宇稱守恆性已經被證實適用於所有強相互作用、電磁相互作用和引力相互作用。

所謂的宇稱不守恆是相對於宇稱守恆而言的。粒子會在強相互作用、電磁相互作用或弱相互作用下衰變,當它們衰變時會產生“子”粒子。如果這種衰變過程與它的鏡像衰變過程在所有方面都相同,則宇稱(P對稱)守恆;如果二者是以不同的速率或不同的性質發生的,則宇稱不守恆。

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她第一個證明了宇稱不守恆

20世紀50年代,物理學家們努力探索著構成我們宇宙的粒子的基本性質。理論物理學家李政道和楊振寧懷疑,弱相互作用可能會破壞鏡像對稱。

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重核中β衰變的示意圖。β衰變是通過弱相互作用發生的衰變,將中子轉化為質子、電子和反電子中微子

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原子核有一個固有的角動量(或自旋),也有一個自旋軸。我們可以用大拇指充當自旋軸,然後用其餘手指描述粒子角動量的方向(螺旋法則)。在李楊二位看來,如果β衰變出來的一個“子”粒子(比如電子),表現出順著或逆著自旋軸衰變的偏好,則宇稱對稱性被破壞;如果沒有偏好,則宇稱守恆。

1956年,吳健雄把這個想法付諸實驗檢驗。通過觀察β衰變,她發現這個過程本質上是手性而非鏡像對稱的。

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如果宇稱守恆,那麼介子和反介子應該意味是沿相反方向自旋並沿同個軸衰變。但顯然上圖所呈現並非這種鏡像式的反演對稱,介子和反介子沿著同一個方向自旋,朝著同一方向發射相反電荷的電子。

我們現在知道中微子明顯破壞了鏡像對稱,但在它被探測到之前,是吳健雄的發現為弱相互作用的宇稱不守恆提供了實驗驗證。但如此關鍵的工作只是為李、楊二位理論提出者斬獲諾獎做了嫁衣,它的貢獻者吳女士如同被委員會遺忘了一般離奇地無緣大獎。

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另外值得一提的是,迄今為止歷史上也只有3名女物理學家——瑪麗•居里(Marie Curie)(1903年)、瑪麗亞•格佩特-梅耶(Maria Goeppert-Mayer)(1963年)和唐娜•斯特里克蘭(Donna Strickland,2018年 )獲得諾貝爾獎。

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本文作者:伊桑•西格爾(Ethan Siegel)

This One Award Was The Biggest Injustice In Nobel Prize History

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