【#奥本海默# 中没有她,但物理界不能没有她】

请想象一下:

在20世纪中期,核物理领域内一系列重大发现井喷式出现,全世界的科学家们拼了命地挤进已经没有座位的演讲厅中,甚至爬上柱子只为了看清黑板上的方程式。

在这样的场合中心,却站着一个穿旗袍的中国女子。

She is the "First Lady of Physics", the "Chinese Madame Curie" and the "Queen of Nuclear Research" .

她是,吴健雄。

《奥本海默》中没有提及的她

有人说《奥本海默》中没有出现吴健雄,是因为她和奥本海默不熟。

实则不然。奥本海默亲切得喊她“JieJie”,认为她是beta衰变研究的权威,她则喊奥本海默Oppie。

1944年,吴健雄参与了曼哈顿计划:研发铀浓缩方法增加燃料供应。当时刚刚开始运行的位于汉福德区的生产钚-239的B反应堆经常停堆终止反应,吴健雄根据大量实验数据确认是核裂变产物之一的氙-135在反应器内大量吸收中子,使连锁反应缺乏足够中子而停止。

至于是不是因为和主剧情无关,所以影片中没有出现吴健雄,我们暂且不论。

我们想说的,是以她名字命名的“吴氏实验”,该实验证明了杨振宁和李政道提出的理论:弱相互作用中宇称不守恒,杨振宁和李政道也因此在1957年获得了诺贝尔物理学奖。

当你逐渐了解这个实验,你会感受到你仿佛在和当年的吴健雄对话,你能清晰得感知到她的坚韧、智慧和勇气。

即便在那个大神云集的年代,她也,熠熠生辉。

什么是宇称不守恒?

为了能够理解吴健雄的实验,我们首先需要解决的问题是:什么是宇称?

在理解物理学中的宇称之前,我们必须首先理解物理学中对称和守恒定律的概念。数学中的对称,我们都很熟悉。如果把正方形沿对称轴转90度,它和原图重合,在物理学中,对称的含义其实差不多。

现在,我们做一个并不是很严谨的假设:

将2ml的白酒滴入一杯咖啡中,观察白酒在咖啡中完全扩散所需时间。

在理想状态下,所有条件不变,你只是将杯子从桌子右上角挪到桌子右下角,白酒扩散所需时间不变。这就是平移对称性,即物理定律不随着空间中的位置而变化,对应了动量守恒。此外,今天滴白酒,明天滴白酒,也都不会影响扩散时间,这就是时间

对称性,对应了能量守恒。最后,你把杯子转90度再滴白酒,扩散时间也不受影响,这就是旋转对称性,对应角动量守恒。

对称性,对于物理研究而言,到底有多重要呢?

试想一下,如果我们把咖啡杯分别放在桌子的两个位置上观察,却总结出两个扩散定律....

那物理学可就真不存在了。

那么,宇称守恒到底是指什么呢?

其实真的不难,只是“宇称”这个词容易让我们发懵。

说白了,宇称守恒,就是镜子里的世界,和真实的世界遵循着同样的物理定律。数学上看,可以简单理解成把坐标x,y,z变换成-x,-y,-z,结果不变,那就是宇称守恒。

现在,我们拿一面镜子。当我们把白酒滴入咖啡中后,镜子里面的扩散情况会如何?除了左右颠倒以外,白酒在咖啡中描绘出的扩散花纹,一定是相同的,你甚至无法区分哪一杯是真实的白酒咖啡,哪一杯又是镜中的。

直觉上而言,镜子里的世界和镜子外的世界,确实就应该只是左右互换而已。

难道上帝真的会更加偏爱左边或者右边吗?这一直被物理学界奉为基本定律之一,直到...吴健雄用实验证明了,上帝真的有偏爱性。

τ-θ 谜题

在20世纪四五十年代,存在着一个“τ-θ puzzle”:

τ和θ粒子有着完全一样的电荷、自旋和质量,无论怎么看都像是同一种粒子;但θ却衰变成两个π介子,τ衰变成三个π介子,如果衰变前后宇称守恒的话,那么θ的宇称应该是+1,τ的宇称应该是-1,那τ和θ就只能是两种粒子。但如果宇称不守恒,τ和θ就可以是同一种粒子。(图2 如果宇称守恒,τ和θ宇称的计算方式)

到了1956年,τ-θ谜题已经成为科学家们在各种会议上必定讨论的重大难题。这时,杨振宁和李政道提出弱相互作用下宇称不守恒,认为τ和θ是同一种粒子的两种不同衰变方式。由于这个设想打破了我们一直坚信的对称性定律,几乎遭到了所有著名物理学家的一致质疑。

在那个时候,物理学届之间有一种说法,如果吴健雄做了一个实验,它一定是正确的。因此,杨振宁和李政道向吴健雄求助。

吴建雄给了他们一本书,这里面包含了过去40年来所有β衰变实验的结果。结果发现,没有任何实验结果能够证明宇称是否守恒。
著名的吴氏实验,就在这样的紧急关头,诞生了。

吴氏实验理论基础

首先,既然要验证宇称是否守恒,但肯定得先定义出“左”和“右”。

于是,我们将粒子简化成一个在不断自旋的运动小球,粒子的自旋方向这样定义:右手手指沿着粒子自旋的方向(顺时针或逆时针)缠绕,拇指的指向就是自旋方向。接着,把自旋方向与行进方向相同的粒子称为右手粒子,把自旋方向与行进方向相反的粒子称为左手粒子。

吴健雄选择了具有放射性的钴-60样品进行该实验,这是一种会发生β衰变的同位素,而β衰变涉及的正是弱相互作用,这也正是吴健雄所擅长研究的领域。

如果弱相互作用是宇称守恒的,那么,钴-60原子核衰变就应该在“真实”世界和“镜像”世界中产生相同的结果。但事实却令人震惊:电子更倾向于朝着与原子核自旋方向相反的方向发射。

结合这张图(图3 简单示意图),我们可以简单地这样理解:

在真实世界中,有一个自旋向上的钴-60原子核,经过衰变后,释放出的电子向下飞去。由于自旋方向和钴-60原子核一致,所以这是个左手电子。在镜像世界中,经过镜像变换,自旋由逆时针变成了顺时针,钴-60原子核变成了自旋向下。如果宇称守恒,那左手电子就应该变成右手电子,释放的电子也就应该还是向下飞。

但是,紧接着我们却发现,电子在镜像世界中向上飞走了!

也就是说,左手电子在经过镜像变换以后,还是左手性,并没有变成右手性。

这,就是宇称不守恒。

所幸这只是发生在弱相互作用中,如果日常生活中也是宇称不守恒...

你向上蹦跶一下,却诡异得发现镜子中的自己蹲了下去。

还是挺瘆人的。

具体实验内容

理论上而言,这个实验貌似并不难,但实际上却需要解决很多问题,例如:微观粒子具有不确定性,我们不可能真的去观测某一个钴-60原子核发射出的电子,只能让一堆钴-60原子核衰变,以大量数据为基础,去分析电子发射方向是否在统计学上有偏向性。

此外,为了尽量减小钴原子的热运动,采用了绝热退磁的方法获得接近绝对零度的超低温。她还将样品置于匀强恒磁场中,以令原子核的自旋方向一致。这些在当时,都是最前沿的实验手段。期间遇到的各种困难,可以想象。

现在,我们来看吴健雄在1957年发表的论文中给出的统计结果(图4 论文原图 ):

论文中提到,不对称因子α的符号是负的,也就是说,电子的发射更倾向于在与原子核自旋相反的方向上。由于涉及到许多因素,当时很难对α进行准确的计算。
当v/c≈0.6时候,α大约是0.4。从观测到的gamma射线各向异性数据可以计算出/I的值约为0.6。这两个量给出了不对称参数β(α=β/I)的下限大约等于0.7。

此外,观察到的β不对称性,不随退磁场方向的反转而改变符号,表明这现象是本征的,并不是由样品中的剩余磁化引起的。

这就是历史上首次,在实验上证实:弱相互作用中宇称不守恒。

多像年轻的我啊

吴健雄曾经这样说过:一个实验物理学家聪明是重要的,但是不像理论物理学家聪明是最重要的;对一个实验物理学家而言,最重要的是坚持、好的判断力和一些运气。

寥寥片语,却道尽了她一生的准则。

在杨振宁和李政道提出宇称不守恒理论后,费曼、泡利、朗道这些物理界大咖都认为这是疯狂的想法,让学生们不必浪费时间去做实验。

就是在这样的环境下,吴健雄却表示愿意全力支持杨振宁和李政道,立刻取消了一切会议和旅行,一头扎进实验室,甚至携带着实验设备前往专精气体液化的国家标准局总部进行实验,只为了尽快得到可靠的实验结果。

吴健雄的孙女回忆说,吴健雄在晚年的时候,很喜欢坐在套着褪色黄灯绒芯的扶手椅上,望向窗外的校园,赞叹那些在打篮球的女生们。

她说:看她们,多么强壮,多么快啊。看她们,做事多么努力。

那句未说出口的话,大概是:

看她们,多像年轻时候的我啊。

参考文献:
[1]Wu C S, Ambler E, Hayward R W, et al. Experimental Test of Parity Conservation in Beta Decay[J]. Phys. Rev., American Physical Society, 1957, 105(4): 1413–1415.
[2]Discovering Dr.Wu by Jada Yuan (https://t.cn/A6xk6i01)

来源:中国科学院物理研究所

中岳庙之嵩高峻极坊

作者:做射线防护的靳双奇

中岳庙,是中岳的代表之作,也是嵩山地区最古老、最重要的道教庙宇之一。这座庙宇有着悠久的历史和丰富的文化内涵,同时,它也是嵩山地区最具代表性的建筑之一。
嵩高峻极坊,是中岳庙的主要建筑,巨大的基座之上树立这这座壮观威严、尊贵显赫的牌坊。红木金瓦,精彩纷呈、雕刻精美,中间四个大字“嵩高峻极”展现在您的眼前,诉说着中岳嵩山之美好,中岳庙之神奇,中国传统文化的博大精深。
嵩高峻极坊又称迎神门,您来了中岳庙,千万记住从此坊下走上一回。整衣端冠,用虔诚的心,庄严肃穆的去瞻仰这座坊。当您跨过这座坊,您的人生高峰将会无限拔高,巅峰一个又一个的到来,像峻极峰一样为中岳之最,走遍华夏大地,俯视未来。走过这座坊,一定会给您带来好运和福气,为您的前程万里铺金带彩。瞻仰这座坊,中岳庙的神灵会萦绕着您,为您祈福保佑,让您的心灵升华,精神焕发。
嵩高峻极,乃是嵩山最高峰——峻极峰之意。您再看,这座坊更显得高峻雄伟。峻极峰是嵩山的主峰,海拔1491.73米。嵩高峻极坊、峻极峰、峻极寺、峻极门、峻极殿构成了佛道文化和中岳文明,处处彰显着中岳嵩山之美,峻极峰之美,中岳庙之美。
中岳庙内的景色非常美妙。这里的建筑和景观互相映衬,构成了一幅优美的画。嵩高峻极坊显得格外壮观,与中岳大殿(峻极殿),交相辉映。峻极殿是一座宏伟的建筑,殿内供奉着中岳神,是中岳信仰的中心,正等待着您的瞻仰。
中岳庙之嵩高高峻极坊是一处集自然美景和文化底蕴于一体的旅游胜地。它不仅代表了中岳的威严和嵩山的雄伟,更承载了丰富的历史文化内涵和信仰。

编辑:金凯防护靳双奇

校对:金凯防护李俊伟

审核:金凯防护许瑞平

#spaceweather天文酷图##天文酷图#
【国际空间站运输

2015:07:14 01:31:05  】
Niki Giada 于 2015 年 7 月 12 日拍摄于意大利乌尔比诺
【拍摄参数】
使用的相机: 不可用 不可用
曝光时间: 不可用
光圈: 不可用
ISO:不可用
拍摄日期:2015:07:14 01:31:05
【详细说明】
我的第一次国际空间站/太阳凌日,手动拍摄,连拍……一次非常近且快速的凌日。 Konuscope(状况非常糟糕,灰尘,醉酒准直......)D200 f1200 + Nikon D610 + DIY Astrosolar 滤镜。 所有照片均以 1/2000 秒、200 ISO 拍摄。 太阳是25张照片的总和,我只拍了国际空间站的2张照片。由于照片的主要分辨率,我决定手动拍摄而不是视频。由于我的SD卡没有很好的缓冲,所以当我在相机中看到国际空间站时我开始拍摄。 没有机动化,全手动! Lightroom(用于相机原始调节)+ Registax(用于堆叠 SUN 和 ISS)+ CS6(用于锐化、取景、文本) (拍摄后我像啦啦队长一样尖叫了 5 分钟!“是的,终于明白了!”:°D)
来源:Spaceweather
版权:Niki Giada
翻译:baidu*

*:此为机器翻译且未人工审核,可能有不通顺的地方。
【相关知识】
天文学是一门研究天体和天文现象的自然科学。它使用数学、物理和化学来解释它们的起源和演化。天文学的研究对象包括:行星、卫星、恒星、星云、星系和彗星等天体,以及超新星爆炸、伽马射线暴、类星体、耀变体、脉冲星和宇宙微波背景辐射等天文现象。更通俗地说,天文学研究起源于地球大气层之外的一切事物。宇宙学是天文学的一个分支,从整体上研究宇宙。
发布时间:2023年09月11日01时10分24秒 #秋日漫游计划# 天文 超话


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