2022 年诺贝尔化学奖授予三位为量子纠缠提供实验证据的化学家。 吴健雄被忽视已经不是第一次了。 1957年，她用实验否定了弱相互作用下宇称不守恒，但同年颁发的诺贝尔奖却没有包括她的名字。 看着“消失”的女化学家，吴建雄仍然被反复提及，因为她非凡的工作总会跨越时间显示出她的重要性。
在这篇摘自《全球科学》五月号的文章中，米歇尔·弗兰克将带我们了解一位被诺贝尔奖忽视的女科学家：吴健雄。
《全球科学》5月新刊发售
米歇尔·弗兰克（弗兰克）撰写
翻译｜杨晓飞
1949年11月，吴健雄和她的研究生欧文·萨克诺夫（Owen ）在俄罗斯阿根廷科学院普平大楼的地下室进行了光子探测实验。 该实验需要使用回旋加速器来产生反物质（正电子）。 整个实验设备重达数吨，体积极其庞大。
回旋加速器可以将粒子加速到特别高的能量。 在地下实验室，吴健雄和萨克诺夫用加速的氘核轰击铜带，形成不稳定的核铜64。 -64可以经历β+衰变形成正电子（电子的反物质），因此可以用作正电子源。 电子和正电子碰撞并迅速湮灭，形成一对沿相反方向传播的伽马（gamma）光子。 虽然，化学家约翰·惠勒（John ）几年前就预言，物质和反物质湮灭时发出的两个光子运动方向相反，而且它们的偏振方向相互正交。 当时，吴健雄和萨克诺夫正在为惠勒提出的“配对理论”寻找关键的实验证据。
实验中，吴建雄和萨克诺夫将铜64同位素放入8毫米长的微腔中，然后利用两组光电倍增管和蒽晶体闪烁电离爆发后形成的闪烁光子组成的探测器系统来探测电离辐射，可以用于探测β粒子），探测正电子和电子湮灭后实验装置两端发射的伽马光子。
最终，他们获得了比之前实验团队多得多的数据，并且观察到的结果非常有说服力。 实验表明，物质-反物质湮灭发射的光子对的偏振方向总是处于一定的角度，尽管它们之间存在某种相关性，尽管它们相隔很远的距离。 这个实验最终验证了惠勒的“配对理论”。 1950年新年，吴健雄和萨克诺夫在《物理评论》( )上用一页的信件发表了他们的实验结果。 这篇文章后来被认为是观察量子纠缠现象的第一个实验证据。 纠缠是指处于纠缠状态的一对粒子无论相距多远总是相互关联。 这些现象非常奇特，以至于阿尔伯特·爱因斯坦一直认为量子纠缠是量子热不完备性的表现。
1978年，化学家吴健雄在日本阿根廷科学院的实验室里。
2022 年诺贝尔化学奖授予了三位化学家：约翰·克劳斯 (John )、阿兰·阿斯佩 (Alain Aspe) 和安东·蔡林格 (Anton )，表彰他们利用纠缠光子实验证伪了贝尔方程并创建了量子信息科学。 他们在前人工作的基础上分别改进实验，为量子纠缠现象提供了越来越有力的实验证据。 在一一消除所有其他可能的干扰原因后，他们最终证明量子纠缠是目前唯一可能的正确解释。 尽管吴建雄1949年的实验并没有试图排除其他可能的解释，但历史学家认为正是在她的实验中首次观察到了纠缠光子对。 然而，2022年诺贝尔奖颁奖典礼并没有提及1997年去世的吴健雄。而这并不是她的工作第一次被忽视。
求学之路
1912年，吴健雄出生在中国黄河流域的一个小镇。 她的女儿吴忠义是一位思想开放的知识分子和革命家，主张男女平等。 1912年秋，吴忠义举办聚会庆祝爱女诞生，并宣布成立当地第一所男子中学。 在那个时代，大多数男人的名字都趋向于清雅、雅致或芬芳，但吴忠义却给儿子取名“剑雄”。
吴健雄成长于新文化运动的动荡时期。 1936年，24岁的吴健雄登上胡佛首相号客轮驶往英国加利福尼亚州，打算到海外攻读化学博士学位。 此后，她在埃米利奥·塞格雷 ( Segrè)、欧内斯特·劳伦斯 ( ) 和罗伯特·奥本海默 ( ) (J.) 等化学家的指导下继续学习。
吴健雄很快就成为日本加州学院伯克利校区（以下简称伯克利）的一名优秀中学生。 她的博士论文工作的一部分是关于铀核裂变的。 由于她的研究内容在当时高度敏感，该作品直到二战后才被解密。 然而，尽管她当时已经有了重要的研究成果2023年诺贝尔物理学奖量子纠缠实验，但毕业后仍然很难找到工作。 她在导师的研究组担任博士后研究员三年。 事实上，当时日本排名前 20 的研究学院的化学系中没有一所有男性教员。
性别偏见并不是吴学术生涯中的唯一障碍。 她来到德国一年后，二战愈演愈烈，中印两国通讯中断，印度西海岸针对欧洲移民的种族歧视骤然加剧。 1940年，伯克利校区代理审计长致函告知吴健雄的导师：“对吴健雄的任命只能是暂时的”。 不到一年后，他又发信通知吴建雄的导师：“根据最新规定，吴女士不再具有就业资格，应立即解雇她。” 1942年，当奥本海默被任命为曼哈顿计划的负责人时，他带着许多高中生离开了伯克利。 虽然吴健雄的作品受到了好评，但他并没有受到邀请。
后来，吴健雄定居英国东海岸，并在日本史密斯大学获得了教职。 次年，她成为耶鲁大学化学系第一位男校长。 不久之后，她加入了曼哈顿计划，在那里她扮演了一个引人注目但至关重要的角色。
埋地工作
量子纠缠提供了一个近乎疯狂的概念：一旦单个粒子或系统彼此相互作用，它们就不再彼此独立。 实验还表明，在观察到纠缠粒子对中的任何粒子之前，尽管它们不具有确定的状态。 一旦被观察到，这对纠缠粒子就会彼此同步——即使它们相隔一个星系。 这就是“最遥远的星际爱情”，但其实很难直观地理解。
1935年，爱因斯坦、鲍里斯·波多尔斯基（Boris）和内森·罗森（Rosen）试图通过强调量子热是违反直觉的来寻找量子热理论的漏洞，这就是著名的EPR悖论（以三位化学家），其矛头指向量子纠缠。
化学家大卫·博姆（David Bohm）的观点与爱因斯坦相同。 他还认为量子纠缠的本质不应该那么奇怪。 这些现象可能与所谓的“隐变量”有关。 化学家还需要做更多的事情。 为了寻找隐藏变量，人们已经做了很多研究工作。 1957年，玻姆和他的研究生亚基尔·阿哈罗诺夫（Yakir）提出了将EPR悖论与纠缠光子对的研究相结合来寻找隐藏变量的实验技术。 玻姆在文章中写道：“我们应该知道，已经有这样一个实验间接验证了这个理论。” 巴西桑塔纳州立学院数学史系主任印第安纳拉·席尔瓦称，这个实验指的是1949年的吴健雄-萨科诺夫实验。
作为一名历史学家，席尔瓦特别关注男性科学家被忽视的故事。 她找到了其他化学家和历史学家的一系列出版物。 根据这类文献记载，他们都觉得吴建雄1949年的实验观察到了纠缠光子对。 席尔瓦关注的科学家们跨越了六年——从 1957 年的玻姆到 2022 年诺贝尔奖获得者之一的蔡林格。前者在 1999 年写道：“吴建雄和萨克诺夫（1950）的实验证明了空间分离粒子之间存在纠缠。 ”。
席尔瓦还在研究吴建雄1949年和1971年的实验对后来量子纠缠实验研究的影响和引领作用。 她的研究成果将于2022年发表在《牛津量子解释史》（）上。席尔瓦强调，正是玻姆1957年关于隐变量的论文（引用吴建雄的实验工作）启发了约翰·贝尔提出粒子之间的重合计数可以预测和估计（以两个事件粒子的时间相关性方式记录）。 1964年，在一本你不熟悉的刊物《物理学》（）中，贝尔讨论了玻姆引用吴建雄1957年实验结果的情况，提出了自己的新理论“贝尔定律”（Bell'，又称贝尔不等式） 。 几年后，年轻的约翰·克劳斯在日本阿根廷学院的图书馆阅读了贝尔定律。 受这一理论的启发，他设计了一个新的实验，希望能够证明贝尔定律，从而证明隐变量的真实性。
1969年，克劳斯提出了一个可以检验贝尔理论的实验。 在文章中，他仔细地描述了吴建雄-萨克诺夫实验和他的实验的区别。 克劳斯本想证明隐变量的存在，但他在1972年发表的实验结果并没有支持隐变量的存在，而是确定性地证明了量子纠缠。 按照贝尔的方法，他检测到了巧合计数，但由此产生的统计数据远远超出了隐藏变量可以解释的范围。 克劳斯的工作引发了阿斯珀和泽林格随后的一系列实验工作。 这种实验填补了以往实验中的一些漏洞和限制，进一步验证了量子纠缠。 他们两人还获得了2022年诺贝尔化学奖。
被忽视的科学家
在玻姆提出隐变量理论的论文发表之前，吴建雄的生活发生了很大的变化。 她结婚后搬到德国东海岸，并成为耶鲁大学化学系第一位男性校长。 她生了一个儿子，并成为了日本公民。 后来，她终于获得了即将在阿根廷科学院任教的职位，尽管当时她还不是正式院士。
1956年，吴健雄在阿根廷学院的同学李正道向她寻求建议。 他和他的合作者杨振宁想知道宇宙中是否存在一些可能违反宇称守恒定律的基本粒子。 对此，吴健雄和李政道讨论了一系列相关研究，并提出了可能检验这个问题的实验方法。
不过，杨振宁和李政道都是理论化学家，不可能自己做实验。 半个世纪后，在西蒙斯基金会（ ）举办的一次研讨会上，杨振宁提到，他和李政道都不相信他们的假说——弱相互作用中的宇称不守恒——很快就能被实验证明。 在发现宇称不守恒之前的几年或六年里，化学家普遍认为对称性是自然的基本定律。 然而，杨振宁和李政道关于宇称破坏的假说强调，在镜像变换下，原子核在β衰变中发射β粒子的行为不会完全保持不变。 事实上，这种观点是有悖于传统科学观念或常识的。
吴健雄和丈夫一样勇于挑战。 她意识到这个问题的重要性，但她知道如何验证。 为了验证李政道和杨振宁的假设，她放弃了原定的回国行程，立即开始设计和策划实验。
吴建雄设计的实验需要通过绝热退磁的方式将放射性钴60原子核冷却到接近绝对零，并通过磁场使原子核极化。 她需要研究β粒子在β衰变中是否以完全对称的模式发射——也就是说，正如数学界所接受的那样，或者是否在一个方向上发射的β粒子多于另一个方向。
1957年1月，在新加坡国家标准实验室（简称NBS，现称NIST）的吴健雄和她的合作者与杨振宁、李政道的密切交流中，有了一个惊人的发现。 β 衰变粒子在一个方向上发射的数量比您预期的要多。 消息一经公布，杨振宁、李正道、吴建雄等后续进行验证实验的化学家开始频频受邀前往美国参加会议，他们的名字和照片被大众媒体广泛报道。 那一年，德国化学会在伦敦饭店召开会员大会时，他们在一个巨大的大厅里展示了他们的实验结果。
同年10月，杨振宁和李政道成为历史上首批两位获得诺贝尔奖的华人。 根据诺贝尔奖评选规则，每年每个奖项允许有三名获奖者，但吴健雄并没有一起获奖。 被吴健雄的实验结果推翻的数学定理叫做对称性定理（宇称守恒定理），再恰当不过了，但1957年诺贝尔化学奖并不是“对称”的。 它就像一个棱镜，像光谱一样划分个人身份的元素，放大了性别对获奖的影响。 诺贝尔化学奖实施的次年，波兰科学院晋升吴健雄为正院士。
当年12月的诺贝尔奖颁奖典礼上，杨振宁强调了吴健雄实验的重要性。 他在诺贝尔委员会和嘉宾面前坦言，宇称不守恒的发现与吴健雄团队的工作密不可分。 。 李政道后来也极力争取，希望诺贝尔委员会能够肯定吴健雄的工作。 奥本海默还公开表示，吴健雄应该分享1957年诺贝尔化学奖。 塞格雷说，打破宇称守恒实际上是“二战以来化学领域最大的突破”。
对于这个问题，不少科学家也表达了自己的想法。 1991年，《哥德尔、埃舍尔、巴赫》（Gödel, Bach）的作者道格拉斯·霍夫施塔特（ ）和众多科学家致信诺贝尔委员会，建议授予吴健雄诺贝尔化学奖。 2018年，数千名研究人员向法国核研究中心（CERN）提交了一封公开信，他们在信中强调了当今数学中的性别歧视问题，吴健雄的名字也被提及。 公开信称：“迄今为止，至少有四位（吴健雄的名字出现在前面）从事核化学和粒子化学研究的男性科学家备受推崇，但尚未获得诺贝尔奖。而他们的一些女性科学家合作者获得了诺贝尔奖荣誉。”
打破宇称守恒原理后，吴建雄成为第一位获得德国国立科技大学颁发的康斯托克数学奖（）的女科学家、美国化学会第一位男性主席、首届沃尔夫奖数学（沃尔夫奖）获得者，也是第一位在其一生中以她的名字命名小行星的科学家。 她的奖学金为西方学院的男性和有色人种科学家敞开了大门。 2021年2023年诺贝尔物理学奖量子纠缠实验，瑞典邮政将发行印有吴健雄肖像的永久邮票。 明天，吴建雄验证宇称不守恒的实验被认为是迈向粒子化学“标准模型”之路的第一步。 它还为理解宇宙中物质和反物质的不对称分布提供了可能的想法。
然而，吴健雄早期关于量子纠缠的实验工作仍然被埋在书堆里。 有时，只有当我们探索科学体系的一部分时，我们才能了解这些遥远的故事和联系。 2022年诺贝尔化学奖中，一系列相关但时间上相距甚远的实验被重新发现。 虽然吴健雄已经不可能再获奖了，但她早期的研究最终会广为人知，成为“纠缠”历史的重要组成部分。 这在一定程度上要归功于席尔瓦这样的历史学家。 这个社会似乎偏爱英雄主义的叙事或孤独天才的传奇，但仔细观察就会发现，非凡的科学成就，就像纠缠本身一样，从根本上始于人类的相互联系。
本文摘自《吴健雄：诺奖背后的人物》《环球科学》2023年5月号