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瘋狂的實驗是什麽?

吳健雄1944年初到哥倫比亞大學時,先是在“曼哈頓計劃”中工作,到1945年戰後,便開始全然投身於β衰變的研究。1952年她成為哥倫比亞大學物理系副教授以前,她的實驗成就早已經使她成為在β衰變研究方面的世界壹流的權威專家。

由於這個緣故,楊振寧和李政道決定要由弱相互作用入手檢驗宇稱守恒定律時,自然就會想到去和研究β衰變的權威吳健雄討論討論,原因是β衰變正是壹種重要的弱相互作用。於是,在5月裏的某壹天,和吳健雄同在哥倫比亞大學的李政道由他在物理系普平物理實驗大樓8樓的辦公室到13樓吳健雄的辦公室去看她。

吳健雄研究的不是粒子物理,對於“θ-τ之謎”的詳細情形並不清楚。李政道首先向她解釋了“θ-τ之謎”,然後又說明他和楊振寧幾經研究,而最後以為宇稱會不會只是在弱相互作用中不守恒的懷疑經過。對於弱相互作用中β衰變現象有深刻認識的吳健雄,立即對這個問題發生極大的興趣。

在原子核實驗工作中極有成就的吳健雄,在1956年以前的幾年中,註意到英國牛津以及荷蘭萊登的低溫實驗中,新近發展出來將原子核極化的技術,並且發生極大的興趣。所謂原子核極化,簡單說,就是使原子中旋轉的電子變成有方向性,從而使原子核有壹個方向性。這個技術正是楊振寧和李政道想用以檢驗宇稱守恒幾種實驗之壹的中心技術。吳健雄在了解了這些以後,立即決定,最好是選用鈷(C60O)作為β衰變放射源,去進行檢驗。這時的吳健雄已經認識到,對於研究β衰變的原子核物理學家來說,這是去進行壹個重要實驗的黃金機會,不可以隨意錯過。她認為,縱然實驗結果證明宇稱在β衰變方面是守恒的,也同樣是為這方面的科學論點,設定了壹個極重要的實驗證據。

當時楊振寧他們也和其他壹些實驗物理學家談過了,但只有吳健雄看出了這壹實驗的重要性。這表明吳健雄是壹個傑出的科學家,因為傑出的科學家必須具有良好的洞察力。吳健雄的想法是,縱然得出宇稱並不是守恒的結果,這依然是壹個好的實驗,應該要做,原因是在過去的β衰變中從來沒有任何關於左右對稱的資料。

當時許多物理學家不做這個實驗,是因為這個實驗確實相當困難。對於實驗技術有相當了解的吳健雄,充分地了解這個實驗的困難。這個實驗將面臨兩個核子物理實驗從未有過的挑戰,壹是要讓探測β衰變的電子探測器放在極低溫的環境下,還能保持功能正常。另外則是要使壹個非常薄的β放射源,保持其原子核極化狀態足夠長的時間,以得到足夠的統計數據。盡管困難重重,而且很難說壹定會有結果,可是她依然決心立即進行這個實驗。

那年春天,吳健雄原本已和丈夫袁家騮計劃好,先到瑞士日內瓦出席壹項高能物理會議,然後再到東亞地區去做壹趟演講旅行。這是他們1936年離開中國以後,20年來頭壹次回到東亞去,他們原打算是要到臺灣去訪問的。為了這趟旅行,他們還訂了伊麗莎白皇後號郵輪的票,準備坐船橫渡大西洋。吳健雄為了這個實驗,只好讓丈夫壹人旅行。丈夫袁家騮也是壹位物理學家,他很清楚立即進行這個實驗的重要性,因此便壹個人踏上這趟離開故國20年之後,百感交集的歸鄉之旅。

在這段時間,吳健雄已經為她決意要進行的實驗,做了相當周全的準備。她在新出的科學文獻中,了解到原子核科學在鈷(C60O)方面最新發展的信息。由於她的實驗是結合原子核實驗技術和低溫物理的技術,因此吳健雄也積極去了解低溫物理的知識。

吳健雄本身不是低溫物理學家,她知道必須找到對原子核極化有清楚了解的優秀低溫物理學家,***同來進行實驗工作。

吳健雄所在的哥倫比亞大學有壹個低溫物理研究組,雖然水準不差,但是規模和設備水準都不夠。在華盛頓的國家標準局,是美國國內另壹個可以進行以低溫環境達成原子核極化的實驗室。在那裏工作的安伯勒來自英國牛津的克萊文登實驗室,而且他是1952年在國家標準局做核極化實驗的成員之壹。吳健雄壹向對科學文獻極其熟悉,她知道安伯勒在早幾年曾經做過鈷(C60O)極化的實驗,因此她便找上了安伯勒,邀請他***同來進行這壹個後來改變歷史的實驗。

安伯勒對這個實驗的β衰變效應知道不多,他問吳健雄,這會顯現出很大的不對稱效應嗎?吳健雄給了他肯定的回答,這使得安伯勒大感興趣。在吳健雄找安伯勒合作時,雖然她早已在原子核物理界享有盛譽,做低溫物理研究的安伯勒,卻全然不知道她是何方神聖。於是他就打電話給壹位原子核物理學家喬治·田默。安伯勒在電話中問田默:“喬治,哥倫比亞大學有壹位女科學家叫吳健雄打電話給我,她提出的實驗十分有趣。告訴我,她有多好?我現在應該去做這個實驗嗎?”田默說:“她是挺厲害的。”於是安伯勒打電話給吳健雄表示樂意***同進行實驗。

吳健雄積極地進行實驗準備之時,楊振寧、李政道的對宇稱守恒的質疑已經廣為物理界所知悉。但是在那個時候,絕大多數人對於宇稱可能會不守恒是極度懷疑的。因此那個時候真正準備進行那個實驗的,除了吳健雄之外,大概是寥寥無幾了。

由6月初到7月底的兩個月當中,吳健雄已經就原子核物理在低溫環境中可能有的各種影響,做了再三的試驗,詳細了解了各種可能性,甚至是極細微的影響效應。吳健雄後來說,如果早知道實驗觀測到的不對稱效應是這麽大的話,也許可以免去如此細密的查驗工作。但是,她還是認為,周全的準備總是值得盡全力去做的。

吳健雄的實驗在概念上是很簡明的。主要是利用壹個很強的放射源,然後在適當控制下極化這個β放射源,使其具有某壹個方向性,再放在壹個利於觀測的環境中,測量這個放射源是不是有壹種先天的方向性。但是,要檢驗這個簡明概念的實驗設計,卻是困難而復雜的。

首先,選用鈷(C60O)的原因就不簡單。鈷(C60O)每秒鐘會放射出上萬個電子,是極好的放射源,此外更重要的是其放射電子的衰變,只改變自旋數而不改變宇稱。這正是在β衰變方面有最權威知識的吳健雄,立即知道要選擇鈷(C60O)的原因。

接著就是要使這個放射源極化,使放出的電子有壹個方向性。根據安伯勒早些年做出的極化技術,鈷(C60O)放射源必須附在壹種晶體表層上,再利用很強的磁場使其放射的電子有壹個方向性。為了消除因原子內部擾動造成的幹擾,必須將整個晶體和放射源都置於極冷的環境中,要造成這種極冷的環境,除了利用液態氮先將溫度降至-270℃左右之外,還要再利用將壹個作用在晶體上很強磁場消除的技術,使溫度再度下降,達到比-273℃絕對零度只稍高千分之幾度的極冷低溫。

起初,吳健雄的實驗組做了幾個具有放射源的晶體,她把這些晶體帶到華盛頓,放入國家標準局實驗室極冷環境中,發現放射源極化只能維持幾秒鐘,根本無法進行觀測。極化為什麽會這麽快消失呢?吳健雄查了許多資料,最後找到極化很快消失的原因,是放射源輻射產生的熱使溫度升高而有擾動造成的。為了解決這個問題,必須用壹個大的晶體把整個帶放射源的小晶體屏蔽其中,阻隔溫度上升。這樣壹來,他們又面臨了生長出大晶體的重大困難。

生長晶體是化學領域中專門的技術。昊健雄請教了壹些化學晶體專家,結果發現,要得到實驗所需要的那樣大小的晶體,必須要有精密的設備和很長時間才能完成。吳健雄那個時候既沒有太多經費,時間又相當緊迫。於是她讓化學實驗助理佛列許曼到化學系圖書館找出所有有關這種晶體的資料。佛列許曼在化學系圖書館書架頂上,找到了壹本蓋滿了灰塵、十分厚重、半個世紀前德國出版的有關晶體資料的參考書。吳健雄在這本書裏找到了許多她想知道的關於晶體的知識,憑著這些知識,她和她的研究生在哥倫比亞大學普平物理實驗大樓地下的實驗室中,開始了生長晶體的工作。起初,她們只能生長出幾毫米大小的晶體,但是這種大小卻不符合實驗的要求。

壹天晚上,她的壹位女研究生畢阿娃提把壹些制晶體的化學成分帶回家去,她在做晚飯時,把裝有晶體成分的玻璃燒杯放在爐臺上,由於爐臺的溫度,在燒杯中融入了大量的晶體化學成分,第二天早上,意外地發現在燒杯中長出了壹塊1厘米左右的晶體,透明剔亮,十分漂亮。吳健雄見到這個結果,喜出望外,聰明的她馬上就想到壹個克服困難的辦法,就是利用燈光加熱並且讓晶體均勻冷卻的方式,來大量生長晶體。她們在實驗室中花了三個星期的時間,得到十個足夠大的、完美的單晶。

有了這些被安伯勒稱為“像鉆石壹樣美麗的晶體”之後,吳健雄和4個國家標準局的科學家,正式開始他們的實驗。科學實驗碰上各種困難,本來就是科學家最大的挑戰,吳健雄他們從事的實驗,由於特別精細和復雜,因此更是遭遇許多意想不到的問題,進展也十分不順利。

有壹次,他們為了將晶體組合起來,形成壹個大的屏蔽,必須在晶體上鉆孔,再將之粘合起來,他們得到晶體專家的意見,才知道要用壓力向內的牙醫牙鉆鉆孔,才不會使很薄的晶體崩裂。而粘合晶體的粘接劑,在極低的溫度中會失效,他們又改用肥皂,甚至用尼龍細線綁住。另外,如何克服在液態氮低溫下,液體變成超流體而引起的外泄問題,以及如何將在低溫環境的β衰變的測量,利用壹枝長的透明樹脂棒導出觀測等,都花了相當多工夫。憑著吳健雄和國家標準局4位科學家過去的多年經驗,才壹壹克服了這些困難。

在實驗的進行過程中,由於吳健雄在哥倫比亞大學還有教學和研究工作,因此每個星期總是華盛頓和紐約兩頭跑,並不是所有的時間都在國家標準局的實驗室。11月間,實驗顯示出壹個很大的效應,大家都很興奮,吳健雄得到消息趕緊趕過去,壹看,覺得那個效應太大,不可能是所要的結果。後來,他們檢查了實驗裝置,發現這個太大的效應果然是由於裏面的實驗物件,因磁場造成應力而塌垮了所造成的。他們經過重新安排,到12月中旬,再次看到壹個比較小的效應,吳健雄斷定這才是他們要找的效應。

吳健雄壹向是以實驗謹慎精確著稱的,因此盡管他們找到了初步結果,但是她的態度依然是謹慎的,她認為在向外宣布結果以前,必須經過更多更精確的查證。在這同時,吳健雄還指導她的研究生,開始進行壹些數據處理及計算,看壹看實驗數據是否真正顯示了β衰變的宇稱不守恒效應。

隨著吳健雄實驗的進展,物理學界已漸漸開始有更多人談論這件事,不同的故事和傳言紛紛出現,形成了壹種極端熱烈的氣氛。但是有很多很有名氣的科學家都認為檢驗弱相互作用中宇稱是否守恒的實驗是壹個瘋狂的實驗,做這個實驗的人簡直是浪費時間。就連在美國科學界才華橫溢、以質疑尖銳、壹生軼事多著稱的費曼還提議,以壹萬比壹來賭這個實驗絕不會成功。

吳健雄在外界的巨大壓力之下,壹點兒也沒有掉以輕心。1956年聖誕節時,他們的實驗差不多已經是成功了。但是吳健雄十分擔心,壹方面她很難相信自然會有如此奇怪的現象,另壹方面也怕他們在實驗中犯了什麽錯誤,於是她決定暫時不向外界透露實驗的結果。

吳健雄在1月2日那天,從紐約回到華盛頓的國家標準局。她和4位合作者再次詳細核驗他們的實驗。由1月2日到8日,是他們實驗工作最繁忙的壹段時間,他們壹次壹次地把溫度降到液態氮的低溫,檢驗所有可能推翻他們結果的因素。那時候,研究生哈潑斯總是用壹個睡袋睡在實驗室地板上,每當溫度降到所需的低溫,他就打電話通知吳健雄和其他三人,在寒冷的冬夜裏,趕到實驗室去工作。

1月9日淩晨兩點鐘,他們終於將預定要進行的實驗查證全都做完,5個從事這項實驗的科學家聚在實驗室中,慶祝這個科學史上的偉大時刻。哈德森笑著打開他的抽屜,從裏面拿出壹瓶法國紅酒和幾個紙杯放在桌上,然後他們為推翻宇稱守恒定律而幹杯。他們高興地歡呼著:“好了,β衰變中的宇稱定律已經死了!”