75 年前，粒子物理学中一项看似不起眼的发现促使物理学家重新思考自然界最基本的对称性。该发现者罗斯玛丽·福勒（生于 1926 年）现年 98 岁，最近被母校布里斯托尔大学授予荣誉科学博士学位，此前她放弃了自己的博士学位以支持家人。学位授予仪式由布里斯托尔大学校长、诺贝尔奖获得者保罗·纳斯亲自主持。正是在布里斯托尔，她的发现——K 介子衰变为三个介子——最终引发了粒子物理理论的革命；该杂志将她的发现描述为“改写物理定律的事件”。
宇宙射线的发现
第二次世界大战前后的几十年是粒子发现的黄金时期。1930年代，随着中子、μ子（第二代轻子）和第一个反物质粒子正电子的发现，亚原子粒子的名单远远超出了电子和质子。当时，布里斯托大学拥有一支世界领先的宇宙线物理团队，在塞西尔·鲍威尔教授（1903-1969）的领导下，实验室完善了利用照相胶片研究宇宙线的技术。在此之前，由于乳胶灵敏度较低，只能记录一些能量较低、电离度较高的粒子，能量较高、电离度较低的粒子很容易被遗漏，减少了发现新粒子的机会。鲍威尔与合作者提高了乳胶的灵敏度，增加了乳胶的厚度，这样带电粒子穿过乳胶时就会被电离，显影后就会出现黑色颗粒并留下轨迹。鲍威尔的实验小组正在努力从宇宙射线中寻找新的基本粒子。
1947年留学之路，塞西尔·鲍威尔证实了介子家族中最轻的粒子——π介子的存在。而早在1934年，日本物理学家汤川秀树（1907-1981）就预言了π介子的存在。汤川假设质子和中子通过一定的场相互吸引，这就是π介子电相关 物理学家，它充当着强核力——强相互作用的残余作用的载体。（介子由一对正反夸克组成，夸克之间的强相互作用是通过胶子传递的。）
1947 年 12 月，英国曼彻斯特大学的乔治·罗切斯特（ ，1908-2001）和克利福德·巴特勒（ ，1922-1999）将介子研究推向了新阶段。他们仔细分析了 5000 张云室照片，发现了一种名为 theta 的奇特粒子——一种电中性的介子，可以衰变成两个 π 介子。几个月后，罗斯玛丽又发现了一种与 theta 粒子非常相似的粒子。
1948年，22岁的罗斯玛丽是塞西尔·鲍威尔团队的博士生。她的研究是在瑞士少女峰的高空实验室中观察暴露在宇宙射线下的感光乳剂照片，并通过分析乳剂照片中的粒子轨迹来研究高能粒子的反应过程。她发现了一些不寻常的东西——一种奇怪的粒子衰变为三个介子。她后来回忆道：“我立刻意识到这是一个新发现，意义重大。我们看到了以前从未见过的结果。”她观察到的轨迹后来被标记为“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，两者似乎在各个方面都完全相同：相同的质量、相同的自旋等等。但它们衰变的方式完全不同：τ介子衰变成三个π介子，而θ介子衰变成两个π介子。罗斯玛丽的发现似乎打破了“镜像对称”，也称为“宇称对称”，即两个过程具有相反的宇称。
罗斯玛丽·福勒发现的“τ介子”的宇宙射线轨迹。“τ介子”在 A 点衰变为 π++π++π-，π- 随后在 B 点分裂。丨图片来源：，163，82（1949）。
在粒子加速器发展初期，这种拍摄宇宙射线乳剂照片的方法是研究高能粒子物理的主要实验方法。罗斯玛丽对自己的发现深信不疑，研究团队进行了一段紧张的分析期。“在发表这一发现之前，需要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尽快完成一切。”罗斯玛丽说。
罗斯玛丽等人在短短时间内写了三篇论文，其中两篇于1949年1月发表在《自然》杂志上。罗斯玛丽是第一作者，用的是她原来的姓氏布朗（R.Brown）。这符合粒子物理论文按字母顺序排列的惯例，也说明了她在这项工作中做出的重大贡献。粒子物理学家花了近十年的时间，才真正解释这个恼人的“θ-τ”悖论。
违反镜像对称
在此之前，人们普遍认为物理定律是左右对称的，即任何物理过程的镜像也是一个可能的物理过程。罗斯玛丽的发现引起了科学家的兴趣，他们开始更深入地研究“宇称”，这种对称性此前被认为是自然界的一个基本属性。
在粒子物理学中，宇称用量子数来表示，它描述了当空间轴反转时粒子或场的行为。总宇称是通过将过程不同阶段涉及的所有粒子的宇称数相乘来计算的。如果宇称守恒，总宇称就不会改变。
π介子的宇称是-1，罗斯玛丽发现的τ介子衰变成三介子的终态，其宇称也应该是-1。但θ衰变的两介子的终态宇称却是+1。如果宇称守恒，那么两个过程中的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。但没有一个理论能够解释为什么两种不同类型的粒子具有完全相同的质量。这就是著名的θ-τ之谜。
许多合作者效仿她，仔细研究云室照片，并用气象气球将大量照相乳剂送入大气层，寻找 τ 介子的衰变迹象。到 1953 年，物理学家们已经观察到 11 次事件。劳伦斯伯克利国家实验室 ( ) 的大型粒子加速器于 1954 年开始运行，到 1955 年已产生 35 次事件。大型粒子加速器为粒子物理研究提供了除宇宙射线之外的另一个重要研究工具。在此过程中，科学家引入了一种新的命名惯例：发现的第一个奇异粒子被称为 K 介子，而 θ 和 τ 分别指衰变为两个和三个 π 介子的模式。
通过更加精确的测量，两类K介子的质量被证实相同，这让θ-τ之谜更加扑朔迷离。1956年4月，粒子物理学家在纽约州罗切斯特召开会议，讨论K介子以及这一时期发现的其他几种令人费解的奇异粒子。虽然罗斯玛丽和鲍威尔没有出席会议，但盖尔曼（1929-2019）、费曼（1918-1988）等几位杰出的科学家参加了会议。在盖尔曼的回忆中，费曼和实验物理学家马丁·布洛克（1925-2016）住在同一个房间里，布洛克问他：“如果宇称不守恒怎么办？θ和τ难道不是同一个粒子吗？”费曼也在会上提出了这个问题。
事实证明，没有人能够真正证明宇称守恒，特别是在衰变的弱相互作用过程中。李政道和杨振宁也参加了这次会议。经过仔细研究，他们发现，事实上，宇称在弱相互作用中是否守恒尚未得到检验。同年10月，他们发表了一篇论文，提出了几种具体的实验来检验宇称是否守恒。起初，他们的论文受到质疑，因为宇称守恒早已是大多数物理学家的默认观点；费曼甚至打了50倍的赌注，反对宇称不守恒。
1956年，李与当时世界上衰变领域最权威的专家之一吴健雄讨论了相关问题，吴健雄决定进行实验。由于实验的重要性，吴健雄放弃了筹划已久的回国探亲之行，组织实验小组开始了详细的实验工作。他们通过观察钴-60的β衰变发现，绝大多数末态电子的发射方向与钴-60的极化方向相反。在吴的实验中，强磁场使角动量的方向也就是自旋方向极化，原则上不限制末态电子的运动方向。因此，如果宇称守恒，末态电子的方向也就是发射出的β射线在核极化方向的正负方向上应该有同等的可能性。然而，实验只监测了与核极化方向相反的射线，因此他们可以得出结论，宇称守恒在弱相互作用中确实不成立。（编者注：参见）随后，更多的实验结果相继出现，直到无可否认，宇称在弱相互作用中不守恒。
这个谜题的答案是，这两个 K 介子是同一种粒子，而宇称并不是自然界弱相互作用的基本对称性。
吴的实验非常巧妙，她还成功地证明了自然界破坏了另一种对称性——C（电荷共轭）对称性，这意味着如果相互作用中的所有粒子都被它们的反粒子取代，这个过程应该以同样的方式发生。这一发现让物理学家们意识到，不仅宇称守恒，而且自然界的一些其他假设对称性也需要精确测试。“CP”——电荷守恒和宇称守恒的组合，当时被认为是成立的，但后来在1964年的K介子衰变实验中被证明是被破坏的。CP破坏比宇称破坏具有更深层的含义，它可能与宇宙中物质多于反物质有关。
放弃宇称守恒定律对物理学家产生了深远的影响。罗斯玛丽的发现改写了粒子物理学的发展路径，人们对基本粒子及其相互作用的认识，特别是对称性这一基本概念发生了根本性的变化。时至今日，物理学家们仍在利用各种实验研究粒子衰变中的对称性破缺，寻找粒子物理标准模型之外的新物理。
玛蒂尔达效应
罗斯玛丽的故事引发了一个问题：为什么很少有人听说过她？原因之一可能是，在她那个时代，大多数物理系和科学界都很难实现性别平等。鲍威尔的实验室是个例外。战争期间，男性必须服兵役，而鲍威尔在实验室中使用的新科学方法当时正在开发中：使用乳剂技术对宇宙射线进行成像，这是一项劳动密集型工作。鲍威尔的实验室收集了大量的宇宙射线照片，他雇佣了许多扫描员，其中大部分是女性，她们煞费苦心地搜索照片，并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·福勒并不是一名扫描员。她是少数受邀攻读物理学博士学位的女性之一，并获得了一等学士学位——这对任何人来说都是一个非凡的成绩，尤其是在那个年代。罗斯玛丽在课余时间表现出了出色的科学天赋。她擅长数学，但对写作不太感兴趣，这可能与她的父亲是英国皇家海军工程师有关。她成为同年级唯一考上大学的女孩，并最终以漂亮的成绩成为鲍威尔的研究生。
聪明果断的她，加入小组后只休息了两天，就于1947年6月开始工作。当她发现“τ介子”衰变时，第一个告诉的人是她的博士生同学彼得·福勒。“我们花了一些时间观察和思考，享受发现的那一刻。然后我告诉了其他人，”她说。作为核物理学先驱欧内斯特·卢瑟福（1871-1937）的孙子和量子物理学先驱拉尔夫·福勒（1889-1944；狄拉克的导师）的儿子，彼得·福勒是公认的天才青年物理学家。他比罗斯玛丽大三岁，但比她晚一年入学，学业因服兵役而中断。两人于1949年结婚，罗斯玛丽也在同一时间决定离开学术界。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事业，并在宇宙射线的实验探测方面取得了重要成果。
当被问及为何此后未完成博士学位就离开学术界时，罗斯玛丽的回答很务实。当时生活困难，粮食和住房短缺，三个女儿需要照顾和支持，她认为彼得·福勒最好继续从事物理学工作。罗斯玛丽的女儿玛丽·福勒回忆道：“我小时候就想成为一名物理学家。我的父母都是物理学家。物理学和研究是餐桌上的热门话题！罗斯玛丽影响了我们所有人——我们都对科学和数学充满热情。没有人认为女孩做不到。”她现在是一位杰出的地球物理学家，曾担任剑桥大学达尔文学院院长。由于罗斯玛丽·福勒行动不便，学位授予仪式在剑桥大学达尔文学院举行。
随着时间的推移电相关 物理学家，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对这一发现的重大贡献。但这似乎是“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功于男性同行。[玛蒂尔达效应以美国作家和活动家玛蒂尔达·乔斯林·盖奇的名字命名。1870 年，她写了一本名为《女性发明家》的小册子，谴责当时普遍认为女性缺乏创造力和科学天赋的观点。]
罗斯玛丽并不是唯一一位被低估贡献的科学家。鲍威尔因利用感光乳剂技术发现介子而获得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（1894-1970）的贡献却被忽视了，尽管她后来多次被薛定谔提名为诺贝尔奖候选人；印度物理学家比巴·乔杜里（1913-1991）也在二战期间在《自然》杂志上发表论文，公布了介子存在的证据，她的工作比布劳更不为人所知……
如今，在发现这一秘密的 75 年后，罗斯玛丽被授予荣誉博士学位，这证明她的重要贡献将永远被铭记。
参考：
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