98岁家庭主妇获荣誉博士学位,其发现引发物理学家重新思考对称性_风闻
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近日，英国布里斯托大学授予98岁的罗斯玛丽·福勒女士荣誉博士学位，她在攻读博士期间发现了一种当时认为奇特的粒子衰变过程，这项发现被认为是“（引发）改写物理定律的事件”；也是让李政道和杨振宁思考宇称是否守恒的起因。但罗斯玛丽·福勒因为家庭原因离开了学术圈，此后她的这项杰出工作很少被提起。现在，她的母校代表世界肯定了她的贡献。
编译 | 刘航
75年前，粒子物理学中一项似乎默默无闻的发现，引发了物理学家对自然界最根本的对称性的重新思考。其发现者——现年98岁的罗斯玛丽·福勒（Rosemary Fowler，1926-）女士，在最近被其母校布里斯托大学授予荣誉理学博士学位，她曾因家庭放弃了自己的博士学位。布里斯托大学校长、诺贝尔奖获得者保罗·纳斯（Paul Nurse）亲自为她举行了学位授予仪式。正是在布里斯托，她的发现——K介子衰变到三个π介子，最终引发了粒子物理学理论的一场革命；Nature杂志将她的发现描述为“（引发）改写物理定律的事件”。
宇宙线中的发现
第二次世界大战前后的几十年是粒子发现的繁盛时期。20世纪30年代，随着中子、缪子（第二代轻子）和第一个反物质粒子——正电子的发现，亚原子粒子的名单已经远超出了电子和质子的范畴。当时布里斯托大学拥有世界领先的宇宙线物理团队，在塞西尔·鲍威尔（Cecil Powell，1903-1969）教授的带领下，实验室完善了使用感光底片研究宇宙线的技术。在这之前，由于乳胶的灵敏度不高，只能记录一些能量较小而电离较大的粒子径迹，容易遗漏能量较大而电离较小的粒子，这就降低了发现新粒子的机会。鲍威尔与其合作者提高了乳胶的灵敏度并增加了乳胶的厚度，使带电粒子通过乳胶时产生电离，显影后呈现黑色晶粒而留下径迹。鲍威尔的实验组正在努力从宇宙线中寻找新的基本粒子。
1947年，塞西尔·鲍威尔证实了π介子的存在，这是介子家族中最轻的粒子。早在1934年，日本物理学家汤川秀树（Hideki Yukawa，1907-1981）就预言了π介子。汤川假设质子和中子之间通过某种场相互吸引，这种场即是π介子，其作为强核力的载体——强相互作用的剩余相互作用。（介子是由一对正反夸克组成的，夸克之间通过胶子传递强相互作用。）
1947年12月，英国曼彻斯特大学的乔治·罗切斯特（George Rochester，1908-2001）和克利福德·巴特勒（Clifford Butler，1922-1999）将介子研究推进到了一个新的阶段。他们仔细分析了5000张云室照片，发现了被称为θ的奇异粒子——一种电中性的介子，它能衰变成两个π介子。几个月后，罗斯玛丽发现了与θ粒子极为相似的粒子。
1948年，22岁的罗斯玛丽是塞西尔·鲍威尔小组的一名博士生。她的研究工作是在瑞士少女峰的高海拔实验室中，观察暴露在宇宙线中的光乳胶照片，通过分析乳胶照片中的粒子径迹来研究高能粒子反应过程。她发现了一些不同寻常的东西——一个衰变成三个π介子的奇异粒子。她后来回忆说：“我立刻意识到这是新发现，而且意义重大。我们看到了以前从未见过的结果。”她所观察到的径迹后来被标记为“k-track”，是未知粒子的证据，当时被称为τ介子。
令人费解的是，τ介子应该是曼彻斯特团队之前看到的θ粒子的镜像，看起来二者在每个方面都相同：同样的质量、同样的自旋，等等。但它们的衰变方式却截然不同：τ介子衰变为三个π介子，而θ衰变为两个π介子。罗斯玛丽的发现似乎打破了“镜像对称性”，即“宇称对称性”，这两个过程具有相反的宇称。
在粒子加速器发展的早期，通过这种拍下宇宙线乳胶照片的方法，是研究高能粒子物理的主要实验方法。罗斯玛丽对她的这一发现深信不疑，研究小组进行了一段紧张的分析工作。“在发表这一发现之前，必须进行大量的测量和计算。我们知道这是一个重要的发现，所以我们非常努力地工作，以便尽快完成所有工作。”罗斯玛丽说。
罗斯玛丽等人在短时间内连续写了三篇论文，其中两篇发表在1949年1月的《自然》杂志上，罗斯玛丽为第一作者，用的是她本姓布朗（R. Brown）。这符合粒子物理论文按字母顺序排列的惯例，也说明了她在这一工作中的主要贡献。而真正解释这个恼人的“θ-τ”佯谬，粒子物理学家们花了近十年的时间。
镜像对称性的破坏
在这之前，人们普遍相信物理定律是左右对称的，即任何物理过程的镜像也是可能发生的物理过程。罗斯玛丽这一发现引起了科学家们的兴趣，他们开始更深入地研究“宇称”——这个此前被认为是自然界基本性质的对称性。
在粒子物理学中，宇称是用一个量子数来表达的，这个量子数描述了粒子或场在空间坐标轴反向时的行为。总宇称是通过将过程中不同阶段所涉及的所有粒子的宇称数相乘来计算的。如果宇称是守恒的，则总宇称不能改变。
π介子的宇称为-1，罗斯玛丽发现的τ介子衰变为三介子末态，其宇称应该也为-1。但θ衰变的双介子末态的宇称是+1。如果宇称守恒，那么两个过程中初始粒子也必须具有不同的宇称，因此应该是不同类型的粒子。但没有一个理论可以解释，为什么两个不同类型的粒子会有完全相同的质量。这就是著名的θ-τ之谜。
当时许多合作组跟随她的脚步，仔细研究了云室的照片，并用气象气球将大量的感光乳胶底片送入大气层，以寻找τ介子衰变的迹象。至1953年，物理学家共观测到了11个事例。劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的大型粒子加速器Bevatron从1954年开始运行，到1955年也产生了35个事例。大型粒子加速器为粒子物理研究提供了宇宙线之外的另一种重要研究手段。在这个过程中，科学家引入了一种新的命名惯例：最初发现的奇异粒子被称为K介子，而θ和τ则分别指代衰变到两个和三个π介子的模式。
通过更精确地测量，两种类型的K介子的质量被证实的确相同，这使θ-τ之谜变得更加令人困惑。1956年4月，为了讨论K介子及其他几个在此期间被发现的令人困惑的奇异粒子，粒子物理学家们在纽约罗彻斯特举行了一场会议。虽然罗斯玛丽和鲍威尔没有出席这次会议，但盖尔曼（Murray Gell-Mann，1929-2019）、费曼（Richard Feynman，1918-1988）等几位杰出的科学家出席了会议。在盖尔曼的回忆中，费曼和实验家马丁·布洛克（Martin Block，1925-2016）住在一个房间里，布洛克问他：“如果宇称不守恒怎么办？ θ和τ就不能是同一个粒子了吗？”费曼在会议上也抛出了这个问题。
事实证明，没有人真正能证明宇称守恒，尤其在衰变这种弱相互作用过程中。李政道和杨振宁也参加了那次会议，后来经过细致地研究，他们发现事实上弱相互作用中宇称是否守恒并没有被检验过，并于同年10月发表论文，提出了几种具体的实验来检验宇称是否守恒。起初，他们的论文备受质疑，因为宇称守恒是大多数物理学家长久以来默认的观点；费曼甚至以50倍的赔率打赌，反对宇称不守恒。1956年，李政道与当时世界上衰变领域最权威的专家之一吴健雄讨论相关问题，吴健雄决定开展实验。由于实验的重要性，吴健雄放弃了早已计划好的回国探亲旅行，组织了一个实验团队开始细致的实验工作。通过观察钴-60的β衰变，他们发现大多数末态电子沿钴-60极化方向相反的方向出射。在吴氏实验中，强磁场极化了角动量方向，即自旋方向，原则上不限制末态电子的运动方向。所以，如果宇称守恒，则末态电子，即出射的β射线方向应该在核极化方向的正反方向等概率。而实验只监测到与核极化方向相反的射线，从而他们可以得出结论——宇称守恒在弱作用中确实是不成立的。（编者注：可参见《中学生可以读懂的宇称不守恒和吴氏实验》）其后，更多的实验结果接踵而至，直到弱相互作用下宇称不守恒无可否认。
这个谜题的答案是，两种K介子是同一种粒子，宇称并不是自然界中弱相互作用的基本对称性。
吴健雄的实验非常巧妙，她还设法证明了自然界打破了另一种对称性——C（电荷共轭）对称性，意思是说，如果将相互作用中的所有粒子换成它们的反粒子，这个过程应以同样的方式发生。这一发现使物理学家们认识到，不只宇称守恒，对于自然界的其他一些假设存在的对称性都需要精确检验。“CP”——电荷守恒和宇称守恒的结合，当时被认为是成立的，但随后在1964年的K介子衰变的实验中被证明是被破坏的。CP破坏比宇称破坏具有更深刻的意义，它可能与宇宙中的物质多于反物质有关。
摒弃宇称守恒对物理学家产生了深刻的影响，罗斯玛丽的发现改写了粒子物理学发展道路，人们对基本粒子及其相互作用、特别是对称性这一基本概念的认识发生了天翻地覆的变化。今天，物理学家仍在利用各种实验研究粒子衰变中的对称性破缺，寻找超出粒子物理学标准模型的新物理。
“玛蒂尔达”效应
罗斯玛丽的经历不免让人提出这样的问题：为什么很少有人听说过她？其中一个原因可能是，在她那个时代的大多数物理系乃至科学界，很难做到性别平等。鲍威尔的实验室是个例外。在战争时期，男人需要服兵役，而当时鲍威尔实验室中所用的新科学方法——利用乳胶感光技术对宇宙线成像正在发展，这是一项需要大量人力的工作。鲍威尔的实验室收集到大量宇宙线照片，他雇佣了许多扫描员，这些扫描员（其中大多数是女性）辛苦地在照片中搜寻，将任何不寻常或有趣的东西交给物理学家进行进一步分析。
罗斯玛丽·福勒不是扫描员。她是少数被邀请攻读物理学博士学位的女性之一，她获得了一等学士学位——这对任何人来说都是非同寻常的成绩，尤其是在那个年代。罗斯玛丽在上学后便展现出了出类拔萃的理科天赋，擅长数学但对写作不太感兴趣，这或许和她的父亲是一名英国皇家海军工程师有关。她成为同年级中唯一一个进入大学的女生，并且最后带着漂亮的成绩单成为鲍威尔的研究生。
聪明果断的她在进组后只休了两天假，于1947年6月开始工作。在发现“τ介子”衰变时，她第一个告诉的人是她的博士生同学彼得·福勒（Peter H. Fowler）。“我们花了一些时间观察和思考，享受发现的时刻。然后我告诉了其他人，”她说。作为核物理先驱欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford，1871-1937）的外孙、量子物理先驱拉夫尔·福勒（Ralph H. Fowler,1889-1944；狄拉克的导师）的儿子，彼得·福勒是一位公认的才华横溢的年轻物理学家。他比罗斯玛丽大三岁，但比她晚一年入学，他的学业因服兵役而中断。他们两人于1949年结婚，同时罗斯玛丽决定离开学术界。在罗斯玛丽的大力支持下，她的丈夫彼得·福勒取得了非常杰出的职业生涯，在实验探测宇宙线方面取得了重要成果。
当被问及为什么在那之后没有完成博士学位就离开了学术事业时，罗斯玛丽的回答很务实。生活在食品和住房短缺的困难时代，三个女儿需要人照顾，需要维持生活，于是她决定让彼得·福勒继续从事物理工作，她认为这是最好的安排。罗斯玛丽的女儿玛丽·福勒（Mary Fowler）回忆道：“小时候我想成为一名物理学家，父母都是物理学家，物理和研究是厨房餐桌上的谈资！罗斯玛丽影响了我们所有人——我们都热衷于科学和数学。没有人认为女孩做不到。”她现在是出色的地球物理学家，曾担任剑桥大学达尔文学院院长。因为罗斯玛丽·福勒行动不便，这次的学位授予仪式就是在剑桥达尔文学院举行的。
随着时间的推移，在各种出版物中，罗斯玛丽的贡献经常被归功于她的丈夫或鲍威尔。但鲍威尔明确承认罗斯玛丽在这一发现中的主要贡献。但这似乎确实是“玛蒂尔达”效应的一个例子，即女性科学家的贡献经常被忽视或归因于男性同行。[玛蒂尔达效应以美国作家和活动家玛蒂尔达·乔斯林·盖奇（Matilda Joslyn Gage）的名字命名。1870年，她写了一本名为《作为发明家的女人》（Woman as Inventor）的小册子，谴责当时广为流传的女性缺乏创造力和科学才能的观点。]
罗斯玛丽不是唯一一个贡献被低估的科学家。鲍威尔因使用感光乳胶技术发现π介子而获得1950年诺贝尔物理学奖，但该技术的发明者、奥地利物理学家玛丽埃塔·布劳（Marietta Blau，1894-1970）的贡献却被忽视了，即使她后来多次被薛定谔提名为诺奖候选人；印度物理学家比巴·乔杜里（Bibha Choudhuri，1913-1991）在二战期间发表在《自然》的论文中也出现了π介子的证据，她的工作甚至比布劳的更不为人所知……
如今，距离罗斯玛丽的发现已经过去了75年，她被授予荣誉博士学位，证明人们将永远记住她所作出的重要贡献。
参考文献
[1] https://www.nature.com/articles/d41586-024-00109-5.
[2] https://www.bristol.ac.uk/news/2024/july/female-physics-pioneer-honoured.html.
[3] https://www.nature.com/articles/163082a0
[4]https://www.nature.com/articles/163047a0
[5] https://www.independent.co.uk/news/obituaries/obituary-professor-peter-fowler-1352277.html
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