05 吳健雄 1956年5月6日

吳健雄在1956年5月6日之前就開始思考和設計β衰變相關實驗，這是判斷吳健雄貢獻遠重要於其他實驗者和合作者的關鍵之處。

左：吳健雄漫畫文：“因為她精通β 衰變，她知道如何尋找；因為她是如此細心的研究員，她用困難的實驗證實了費米的理論是正確的。許多人認為，吳健雄應該共享1957年諾貝爾物理學獎，但她沒有。” 繪畫：Rebecca Huang 。

右：費米教授（1901-1954）

“解決對稱破壞這一問題的最後推動力，幾乎完全來自實驗方面。”

——李政道 《破缺的宇稱》 1986年

1950年代，吳健雄在哥倫比亞大學的實驗室，當時，她已是β 衰變實驗領域的世界權威。

在1945-1952年間，我完全沉浸於β衰變的實驗研究，那是β衰變一個激動人心的時期。儘管從1952年開始，我的興趣慢慢離開了β衰變，但它依然像一個老朋友一樣在我內心深處。珍藏在我心中的一個特別位置。1956年初春的一天，當我的同事李政道教授來到我位於普平物理實驗室13樓的小辦公室時，這種感覺被再次點燃。—— 吳健雄 1983年 The discovery of the Parity Violation in Wake Interactions and Its Recent Developments

1996年出版的江才健著作《物理科學的第一夫人——吳健雄》中寫道，吳健雄從5月6日已經開始積極思考和準備相關的實驗。

1948年，22歲的李政道第一次在哥倫比亞大學見到吳健雄時，她已是世界頂級的β 衰變實驗權威，而他當時還是芝加哥大學的博士研究生。當時，吳健雄在實驗室向李政道介紹自己正在進行的β衰變實驗，實驗的結果是否定了科諾平斯基-烏倫貝克理論，與李政道的博士導師費米的理論吻合。

李政道表示同意，他說：“這很好，反正費米的理論一定是對的，我完全接受了她的結論。從此我與健雄建立起了長達半個世紀的非常親密的工作和私人關係。”

1956年5月初，當李政道思考弱作用中宇稱守恆的問題時，他想到了弱作用實驗領域的β衰變專家吳健雄，並向她請教。他回憶道：

β 衰變是一個有長久研究歷史的領域，那時已經有了大量可供利用知識。由於宇稱守恆一直是一個在所有分析中都不言而喻的假設，宇稱的概念被廣泛地應用，因此，需要非常慎重地去檢驗所有已經有的實驗事實，去看一看宇稱守恆是不是能夠推廣到β 衰變。β 衰變領域世界上最權威的專家之一是吳健雄，她的辦公室就在哥倫比亞大學比我的辦公室高几層的樓上。我訪問了她，告訴她這些想法，她對此非常感興趣……

1997年2月16日，吳健雄在紐約逝世，5月30日，李政道在北京大學 “紀念吳健雄” 會議上發表演講，講述1956年5月初的一天，他從哥倫比亞大學物理系8樓辦公室到13樓吳健雄的辦公室公的情形：

我對健雄講了一下高能物理中K 介子的θ-τ之謎，同時也講了一下原因可能是宇稱不守恆。假如宇稱不守恆，β衰變中一定可以做出結果的。怎麼去檢驗? 那天我們討論了很多方案。用Co-60是健雄提出來的。我離開以後，她認為這是一個 “黃金機會”，也是對她的一個挑戰。因為這類實驗從來沒有人做過，雖然宇稱這個觀念在β衰變裡已經用得很多了，而且大家都以為宇稱守恆當然是對的，可是從來沒有被檢驗過。所以這個實驗是很難的，是一個挑戰。

1956年我和楊振寧在理論上建議了宇稱不守恆，而實驗上的確定是健雄做的。

她的文章於40年前的（1957年）2 月15 日發表在《物理評論》（Physical Review ）第105 卷的第1413 頁上。緊接著她的論文，加溫、萊德曼和溫裡克（M. Weinrich）在第1415頁上發表了π的μ子衰變和μ子的電子衰變，得到了同樣的結論。在同一卷的第1681頁，還有特萊格迪（V. Telegdi）和弗裡德曼（J. Friedman）的文章，等等。在以後的半年之內，大概有幾百個這方面的實驗出來。

1972年，吳健雄在發表於《實驗物理探險》的自述文章中寫道：

……1956年早春的一天，李政道教授來到普平物理實驗室第十三層我的辦公室。他先向我解釋“θ-τ之謎”。他繼續說，如果θ-τ之謎的答案是宇稱不守恆，那麼這種破壞在極化核β衰變的空間分佈中也應該觀察到：我們必須去測量贗標量（σ· p），p是電子的動量，σ是核的自旋。

……在李教授的訪問之後，我把事情從頭到尾想了一遍，對於一個從事β衰變物理的學者來說，去做這種至關重要的實驗，真是一個寶貴的機會，我怎麼能放棄這個機會呢？......那年春天，我的丈夫袁家騮和我打算去日內瓦參加一個會議，然後到遠東去。我們倆都是在1936年離開中國的，正好二十年了。我們已經預訂了伊麗莎白王后號船票。但我突然意識到，我必須立刻去做這個實驗，在物理學界的其他人意識到這個實驗的重要性之前去做。於是我請求家騮讓我留下，由他一個人去。

......五月底，春季學期結束後，我開始認真準備這個實驗……9月中旬，我終於去了華盛頓特區，第一次會見到了安伯勒博士……當實驗在華盛頓進行期間，為了教學和其他研究事務，我必須穿梭於華盛頓和哥倫亞大學之間。在聖誕節前夕，機場因大雪而關閉，我乘末班火車回到紐約。我告訴李教授我們觀察到的不對稱是可以重複的，而且很大。不對稱引數幾近於-1. 李教授說非常好，這個結果正是中微子二分量理論所期望的。

李楊在有關宇稱問題的研究合作中的敘述雖有不同，但根據他們以及吳健雄的敘述和回憶，以及相關論文的內容的分析，應該可以確定以下事實：

1

1956年5月6日之前，在李政道和吳健雄的第一次討論中，兩人就討論了β衰變中宇稱不守恆問題，以及在測量中需要考慮贗標量，而考慮贗標量的思想是李政道在4月與斯坦伯格的討論中提出的。吳健雄告訴他：已有的β衰變實驗中沒有關於宇稱守恆與否的實驗，因為測量中用的是二維標量，沒有用過三維贗標量；兩人討論了用贗標量在β衰變實驗中檢驗宇稱守恆的問題；從5月6日開始，吳健雄開始考慮並決定做這個實驗，她放棄了已訂好船票的暑假到歐洲和臺灣的訪問計劃；

2

1956年5月中下旬，當李政道告知低溫下極化原子核技術時，吳健雄立即指出最好用鈷60作為β衰變放射源來檢驗宇稱守恆問題，而不是用核反應器產生的極化核或極化中子束；

3

根據江才健著《物理科學第一夫人——吳健雄》，1956年6月4日，吳健雄打電話給國家標準局專家安伯勒，討論在低溫β衰變中檢驗宇稱守恆的實驗；7月24日，吳健雄致信安伯勒，告知她已在液態氦極低溫度環境中探測衰變的實驗中，得到滿意效果，如果沒有其它突發技術問題，他們應該見面討論；但因為安伯勒在8月要休假兩週，因此，直到9月中旬，吳健雄才到華盛頓特國家標準局，第一次與安伯勒會面。

因此，吳健雄並不是在得知李楊6月22日論文完成後，才開始思考和開展β衰變相關實驗的，這說明吳健雄的貢獻遠重要於其他實驗者和合作者。

06 “用Co-60是健雄提出來的”

在1957 年2月15日發表Experimental Test of the Parity Conservation in Beta Decay論文中，她以第一作者的身份，第一次用實驗否定了宇稱守恆定律，同時也否定了粒子-反粒子對稱的假設。對稱和守恆是物理學的基礎，但這兩個很重要的定律和假設都被健雄的實驗推翻了。所以，這是一個劃時代的實驗。——李政道 1997年5月30日 北京大學吳健雄紀念演講

吳健雄在宇稱不守恆發現中的關鍵貢獻，是提出並實現用鈷60作為β衰變放射源來檢驗弱作用中宇稱是否守恆的問題。

1956年5月中下旬的一天，在布魯克海文實驗，李政道和楊振寧室遇見了物理學家哥德哈伯。當哥德哈伯聽說他們正在寫一篇論文時，就告訴他們英國牛津大學的科學家們已經能夠把原子極化。這個技術啟發了兩人在論文中提出的兩種實驗技術之一的關鍵技術，也應該是他們在6月22日的論文中感謝哥德哈伯的原因。

李政道回到哥倫比亞大學，再次去向吳健雄請教β衰變的有關實驗問題。吳健雄問：是否有人提出用什麼具體的想法來做實驗？李政道說哥德哈伯提出過用極化原子技術來檢驗，吳健雄立即指出，最好是利用鈷60作為β衰變放射源來進行極化原子核實驗。她回憶說：

在李政道教授離開我的辦公室之前，我問他是否有人提出過有關這個測試的想法。他說，有人建議用核反應器中產生的極化核或反應器中產生的一個慢中子束。然而，不知為什麼，我非常擔心這兩種方法的使用。我建議最好是使用鈷60作為β放射源，並以絕熱退磁方式極化它，這種方法的極化率可高達65%。李博士對鈷60β放射源的高極化率非常感興趣，他向我借了一本使用這種方法的參考書。

對這一過程，1957年12月11日，楊振寧在瑞典科學院諾貝爾演講中說：

李政道博士和我在1956年夏提出了涉及β衰變，

，

及奇異粒子衰變的一系列實驗。所有這些實驗的基本原理全部都一樣：安排兩套實驗裝置，它們互為映象且包含弱相互作用。然後檢查這兩套裝置儀表上的計數是否總是相同。如果讀數不同，就毫不含糊地證明左右對稱性不成立。此想法示於圖2，它描述用以檢驗β衰變中宇稱是否守恆的實驗。

這個實驗首先由吳健雄、安伯勒（E. Ambler）、海沃德（R. W. Hayward）、霍普斯（D. D. Hopper）和赫德遜（R.P Hudson）在1956年下半年著手進行而於今年初完成。實際的實驗裝置非常複雜。因為要消除外界干擾的影響，實驗必須在極低溫度下進行，把β衰變的測量和低溫裝置結合在一起是前所未未聞的，這是主要困難之一。這個難題被吳健雄她們成功解決了。這過去一年中關於宇稱問題的驚人重大發現，應歸功於她的勇氣和技巧。

1982年，楊振寧在《吳健雄證明了宇稱不守恆》中寫道：

一種可能的做法是測量極化β衰變的方向分佈。但困難在於如何使核極化，而我和李政道都不知道當時已能透過低溫技術使核極化。後來，哥德哈伯、吳健雄等人談及這個問題，我們才知道有這樣技術，於是便提議：用鈷60來研究，可能是很合適的。

在1962年5月12日出版的《紐約客》雜誌上，理論物理學家伯恩斯坦（Jeremy Bernstein 1929--）發表文章 “宇稱問題側記” 表明，楊振寧說他記不準在有關檢驗弱作用的實驗想法是怎麼得來的。文章寫道：

“回顧過去，像李-楊做出的發現，看起來容易，但對發現者來說就不一樣了。最近，我和楊討論了這一問題。他試著描述了一個人在這種情況下的心理過程……楊已記不准他和李要去檢驗過去有關弱作用實驗的想法是怎麼得來的了。但是他卻記得是什麼時候、在什麼地方。那是五月初，他剛剛駕車從厄普頓（布魯克海文實驗室所在地）到紐約訪問李。他把李從哥倫比亞大學的辦公室接上車……他們便去附近的白玫瑰咖啡館。他們坐下來開始討論。這時，他們忽然有一個想法。突然，他們明白了，應該去檢查一個又一個弱作用實驗的結果，去看一看有沒有任何有關宇稱不守恆的資訊。”

07 西格邦1955年出版 《β和伽馬射線光譜學》

左：凱·西格邦（K. Siegbahn，1918-2007）瑞典物理學家, 1981年諾貝爾物理學獎得獎者

右：1955年出版的《β和伽馬射線光譜學》

1955年由西格邦編輯出版的《β和伽馬射線光譜學》論文集，其中有兩章由吳健雄撰寫。吳健雄借給李政道的這本書，像一束光，啟發了李政道和楊振寧研究中的新思路。

兩人通讀了西格邦的這本書，吃驚地發現已有的β衰變的結果和宇稱守恆與否並沒有關係；儘管宇稱守恆定律作為被科學界早已接受的普遍定律，但事實上在弱相互作用方面卻完全沒有實驗證據。他們終於找到了解決問題的方向。

對這一過程，李政道1986年在《破缺的宇稱》中寫道：

我訪問了她，告訴她這些想法。她對此非常感興趣，把西格邦編輯的β衰變的權威書籍借給我看。那時，楊和我對宇稱算符P的實質意義都還不清楚……

楊和我開始系統地用推廣的宇稱不守恆作用對所有已知的β衰變現象進行研究。我們很快讀完西格邦的書，經常保持電話聯絡。我們花了兩個星期的時間完成了全部的β衰變分析……

最後，我們讀到西格邦書結尾，用這一新的相互作用重新推導了全部老公式，到那時就清楚了，並不存在任何一個證據，證明β衰變中宇稱是守恆的。我們又會合在一起校對計算手稿。在討論中我們認識到我們是多麼愚蠢，為什麼那些複雜的Ci*Cj’、干涉項互相消去，這應該有一個非常簡單的理由。當我們停止計算、開始思考，在非常短的時間裡事情就清楚了，不存在證據的理由是一個簡單事實，就是沒有任何人曾試圖從看來似乎是左右對稱的安排中去觀察一個贗標物理量!

在1957年12月11日諾貝獎頒獎禮的演講中，楊振寧講述當時的思想狀態：

在並沒有實驗支援的情況下，長期以來，人們竟錯誤地相信弱相互作用中宇稱守恆，這個事實本身就是令人吃驚的。然而，更令人吃驚的是，物理學家如此充分了解的一個空間時間對稱定律可能面臨破產。我們並不喜歡這種可能。我們是由於試圖理解θ-τ之謎的各種努力都遭到挫折，而被迫考慮這種可能。

在弄清楚這些問題的基礎上，1956年5月底，李政道和楊振寧決定應該在弱相互作用中用贗標量去檢驗宇稱是否守恆，兩人準備撰寫一篇論文。

08 “吳實驗”（Wu Experiment）

吳（健雄）向李（政道）建議：不要用產生於反應器的極化核，或者是產生於反應器的一束極化慢中子束，“最好的方法是用絕熱去磁化極化的鈷60作為β衰變源，這種方法的極化率可高達65%。”在當時不能保證宇稱可能不守恆的情況下，吳決定自己來這個實驗……

1956年6月4日，吳打電話給國家標準局的歐內斯特·安伯勒，他熱情地接受了她的提議：利用標準局的原子核專家和裝置做這個實驗。

在確定用鈷60作β衰變實驗的放射源後，吳健雄需要有低溫裝置的實驗室，因為她設計的實驗需要低溫物理實驗裝置。

她找到的是哥倫比亞大學的物理學家加溫（Richard Garwin，1928-）。

28歲的加溫當時工作於IBM設在哥大的華生實驗室，他既是IBM的高階研究員和技術主管，也是哥倫比亞大學物理系的年輕教授。1946-1949年，加溫和李政道、楊振寧均在芝加哥大學攻讀博士。加溫是費米的實驗物理博士生，21歲獲得博士學位。費米曾說：加溫是他見過的唯一真正天才。1952年，24歲的加溫是第一枚氫彈的設計者。

也許，更為有趣和重要的是，1957年1月5日，在獲知吳健雄實驗組的最初結果後，加溫和同事萊德曼立即動手做李-楊論文中建議的第二個實驗，並在四天後獲得結果，成為第二個證實宇稱不守恆的實驗，兩篇論文同時發表在2月15日的《物理評論》上。不過加溫和萊德曼從未認為自己的貢獻比吳健雄更重要。四十年後，1997年3月，69歲的加溫還在《自然》撰文，稱讚吳健雄在宇稱不守恆發現中的原創性貢獻。

1956年5月底，當吳健雄表示希望加溫和她共同來合作驗證宇稱守恆的實驗時，加溫正在領導IBM的一個100多人團隊的超導計算機的研究計劃。他表示沒有時間和她合作，但建議吳健雄與華盛頓國家標準局的科學家合作，那裡有低溫技術專家和可進行原子核極化的低溫實驗室可進行原子核極化實驗。於是，吳健雄找到了位於華盛頓特區的國家標準局。

安伯勒是一位低溫物理學家，1956年33歲，兩年前在英國牛津克萊文登實驗室獲得博士學位，由此，他成為1956年國家標準局參與b衰變實驗的負責人。1988年，安伯勒已經是國家標準局局長，他在官方口述歷史中回憶，自己當時是一個初出茅廬的新手，還不知自己未來對物理學的貢獻會在哪裡，對於哥倫比亞大學資深物理學家的合作邀請，感到榮幸。

之後，吳健雄與安伯勒進行了多次電話交流，同時，安伯勒也在徵求國家標準局主管同意，在國家標準局開展這項實驗。6月22日之後，吳健雄還將李-楊論文預印本寄給了安伯勒。7月24日，吳健雄致信安伯勒，告訴他自己已經在為液氦極低溫環境中探測β衰變實驗的準備，建議兩人會面討論，但因安伯勒在8月要休假兩個星期，他們第一次會面是在9月中旬。在此期間，吳健雄再次找加溫合作，加溫太忙，仍建議她與國家標準局專家合作，進展會更快，儘管在紐約和華盛頓間往返會勞累一些。

在吳健雄積極準備實驗時，李政道楊振寧的論文已在物理界傳播，但當時絕大多數同行對宇稱可能不守恆持相當的懷疑。

第一個做實驗的是吳健雄。第二個是芝加哥大學的特萊格迪教授（V.L.Telegdi）——1956年8月，他在列昂哪·馬歇爾（Leona Marshall）的辦公桌上看到李-楊論文的預印本，於是他的實驗組按李-楊論文中建議的另一個方案做實驗，其間他回到歐洲兩個月，處理家庭事務，1957年1月，在獲知吳健雄實驗組的最初結果後，匆忙寫成論文，成為第三篇證實宇稱不守恆的論文。特萊格迪也曾對於自己未能率先發表結果而耿耿於懷。

9月中旬，吳健雄第一次來到國家標準實驗室與安伯勒會面。安伯勒帶她參觀實驗室，介紹她認識後來密切合作的同事們。經過短暫的磨合後，吳健雄和國家標準局的四位科學家組成實驗組。在實驗進行過程中，吳健雄在哥倫比亞大學還有教學和研究工作，因此，在華盛頓做實驗期間，她基本上每週穿梭於國家標準局和哥倫比亞大學之間。

在1962年5月12日《紐約客》發表的文章《宇稱問題側記》中，傑米·伯恩斯坦寫道：在讓實驗物理學家們去做工作之前，李和楊除了等待之外不能做什麼事......

參考文獻

[1]李政道： 吳健雄和宇稱不守恆實驗 2015.12.09. 賽先生

[2]江才健 著 《物理科學的第一夫人》 復旦大學出版社 1997.3

[4]江才健 著 《規範與對稱之美——楊振寧 傳》 臺灣天下遠見出版股分有限公司 2002.10

[5]《楊振寧文集 傳記 演講 隨筆》 華東師範大學出版社 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]科學春秋：李政道楊振寧遭遇冷處理:60年前中國人第一次獲諾獎

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