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量子纠缠背后的故事(卌二):吴健雄的实验 精选

已有 2089 次阅读 2021-4-14 06:59 |个人分类:科学历史|系统分类:科普集锦

杨振宁和李政道在1956年提出宇称不守恒,随即赢得1957年的诺贝尔奖。这个速度被誉为诺贝尔奖中的奇迹。其实,那正应该是常规操作,却已经沦为几乎绝无仅有。

诺贝尔当初设立的是像人们更为熟悉的奥斯卡、金鸡百花奖那样一年一度的奖项。他在遗嘱中指明要奖励的是“过去一年中”最杰出的贡献。但在其后的实践中,评奖委员会一边坚持每年获奖者不超过三人的死规定,一边却对其时效性要求置若罔闻。爱因斯坦是在光电效应论文发表的十多年后才因之得奖。泡利1945年获奖时,他那作为得奖理由的不相容原理已经问世了整整20年。

物理学界也因而没有忘却曾经为量子理论做出显著贡献却屡屡被这个大奖忽视的索末菲和玻恩,几十年来持之以恒地为他们提名。索末菲在1951年以82岁高龄去世,终究未能遂愿。他倒是赢得历史上被提名次数最多(84次)物理学家的殊荣。

一直因未能与学生海森堡共同获奖而耿耿于怀的玻恩终于在1954年修得正果。那时他也已经被提名34次。尽管他后来在固体物理等方面上又已做出突出的贡献,他的获奖缘由依然是“对量子力学基础研究的贡献,尤其是波函数的统计诠释”。那已经是接近30年前的成就了。(当年与玻恩一起完善矩阵力学并参与创立量子力学、量子场论的约旦后来只得到寥寥无几的提名,更没能获奖。他应该是受到自己纳粹历史的连累。)

玻恩得奖时已经是一位72岁的老人。在那两年前,他从爱丁堡大学退休,回到战后的德国安享晚年。

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在用她的β衰变实验率先证实杨振宁和李政道提出的宇称不守恒而一鸣惊人时,吴健雄已经在哥伦比亚大学默默无闻地服务了十多年。

吴健雄1912年出生于中国江苏。她有一对重视教育的父母。父亲还创建了一所女校,让女儿和其她当地女孩能接受基本教育。吴健雄后来在南京的国立中央大学本科毕业,并在浙江大学进修了物理研究生课程。

1936年,24岁的吴健雄来到美国,在旧金山港口上岸。她的目的地是远在美国东部的密西根大学,准备去那里攻读物理博士。在旧金山逗留期间,她在也是从中国到来不久的新生袁家骝(Luke Chia-Liu Yuan;中国“皇帝”袁世凯的孙子)陪同下参观了附近的伯克利校园。

伯克利那时正在成为奥本海默的哥本哈根。发明回旋加速器的劳伦斯(Ernest Lawrence)也在那展开着热火朝天的核物理实验。吴健雄被这朝气蓬勃的气氛深深吸引。在听说密西根存在严重的性别歧视后,她毅然改变计划留在伯克利,在劳伦斯和塞格雷(Emilio Segre)指导下开始她的研究生生涯。(劳伦斯和塞格雷后来分别在1939和1959年获得诺贝尔奖。)

四年后,吴健雄以优异成绩获得博士学位,同时也成为β衰变的实验专家。她继续留在伯克利从事博士后研究。1942年,她与已经转学到加州理工学院师从密立根的袁家骝喜结连理,就在密立根的家中举行了婚礼。婚后,夫妇俩一起搬迁到美国东部工作。

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1942年5月30日,吴健雄(左二)和袁家骝(左一)婚礼照片。右一右二分别为密立根夫妇。

1944年,吴健雄参加了哥伦比亚大学中支援曼哈顿工程的研究项目,与那里在原子核结构上抢了惠勒之先的雷恩沃特成为同事。她在伯克利时做的一项测量结果也帮助惠勒解决反应堆中出现的一个难题。

二战之后,哥伦比亚大学在拉比的领导下急速成为世界领先的实验物理中心。吴健雄再也没有离开那里。她在1952年升为副教授,是哥伦比亚大学物理系第一个获得终身职位的女性。

当她在伯克利毕业时,玻姆已经追随奥本海默来到那里。两人那时没有什么交往。当玻姆在1957年注意到已经成为名人的吴健雄时,他自己已经在以色列流亡。而让玻姆感兴趣的并不是β衰变中的宇称不守恒,却是吴健雄八年前一个不引人注意的小实验。

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还在他幻想一切粒子都是由电子、正电子组成的年月里,惠勒曾研究过那样的世界里最简单的“原子”:由一个正电子和一个电子以各自正负电荷互相吸引而形成的“正电子素”(positronium)。它与由一个质子和一个电子组成的氢原子相当。但因为正电子的质量与电子相同,比质子小了1800多倍,它无法同样地约束电子。惠勒通过计算发现正电子素如果能够存在也会极其不稳定,只有0.12纳秒(0.000 000 000 12秒)的寿命。随后那电子与正电子就会互相湮没,化为一对高能的γ光子。

在当时的条件下,没有实验能够捕捉那么一个稍瞬即逝的存在。但惠勒提出可以通过寻找那两颗同时发出、在偏振方向上有关联的的γ光子来判定正电子素(原先)的存在。

1949年,吴健雄带着研究生萨克诺夫(Irving Shaknov)在哥伦比亚进行了这个实验,证实惠勒的预测。(更确切地说,她们证实的是沃德(John Ward)的预测。沃德和他在牛津大学的博士导师普赖斯(Maurice Pryce)在惠勒之后发表了更为严谨的计算结果。)她们的结果以“致编辑信”的快报方式发表在1950年1月1日的《物理评论》杂志上。那时,玻姆还在普林斯顿精心写作他那本集哥本哈根诠释之大成的《量子理论》,用电子自旋重新表述爱因斯坦的EPR假想试验。

玻姆1955年摆脱在巴西的梦魇来到以色列后很快时来运转,仅仅两年后又得到英国一所学院的聘请。虽然仍然无法返回自己的祖国,他终于能够结束学术流放,重回与欧洲同行自由交流的科学大家庭。

在以色列那短短的两年里,他收获甚丰。他在那里终结了自己的单身日子,幸福地结婚成家。一位名叫阿哈罗诺夫(Yakir Aharonov)的本科生也投师麾下,两人开始精诚的科研合作。大学毕业后,阿哈罗诺夫跟随着玻姆到英国继续攻读博士学位。

为了不耽误学生的前程,玻姆曾经主动约法三章:他们之间只传授、研究“主流”物理学,不涉及他那离经叛道的隐变量理论。这样,他们在不涉及量子力学诠释的“安全”领域中发现电磁场中一个原来未知的奇怪现象。这个所谓“阿哈罗诺夫-玻姆效应”在物理学界引起相当大的轰动和持久的科研兴趣。

但玻姆也没能完全信守诺言。当他看到吴健雄和萨克诺夫简短的实验报告时,脑洞突然为之大开。

在先前出版的《量子理论》中,玻姆为爱因斯坦的EPR假想试验提供了一个更为简洁、清晰的描述:当一对电子、正电子在真空或由高能光子转化产生时,它们之间的自旋态会保持着互相的纠缠,即使它们已经彼此飞离了非常远。

玻姆领悟到吴健雄和萨克诺夫做的其实就是这么一个实验,只是粒子产生的过程正好相反:不是通过光子产生电子、正电子对,而是通过电子与正电子的湮没产生出一对新的光子。那对光子在这个过程中同时产生,必然处于同一个量子态。因为动量、角动量的守恒,它们也会各自向相反的方向飞离,同时保持着二者的纠缠。

与电子一样,光子也有着自旋。那正是吴健雄和萨克诺夫所测量的偏振态。玻姆和阿哈罗诺夫一起进行了一次物理学史上极为罕见的操作。他们作为理论学家把别人八年前的实验数据实施以其初衷迥然不同的重新分析,得出该实验结果中蕴藏着两个光子的确处于纠缠状态的结论。

于是,玻姆与阿哈罗诺夫在1957年发表论文石破天惊式地宣布,那曾经让爱因斯坦牵肠挂肚的鬼魅般超距作用的的确确是量子世界中的真实存在,已经被人类观察到。只是当初实施实验的吴健雄和萨克诺夫对此浑然不知(萨克诺夫做完实验毕业后投笔从戎,不久捐躯于朝鲜战场)。在那之后也从来没有人看出其中之奥妙。

那时,爱因斯坦已然作古。

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和他的老朋友一样,薛定谔始终没有接受正统的哥本哈根诠释。比爱因斯坦尤甚,薛定谔一直强烈反对玻恩的波函数几率解释。他坚持波函数是实际的物理存在,比粒子更为现实。而这样的波函数不可能会发生莫名其妙的突然坍缩。

1952年夏天,薛定谔在都柏林举行的系列讲座中再一次阐述了自己对量子力学诠释的看法。他告诉听众现在物理学界主流对量子测量的看法是每次或者测到这个值,或者测到那个值,二者非此即彼。但其实还可以存在着一种可能性。那就是不同的测量数值并不是互为取代,而是可以同时存在的。他承认这样的想法听起来十分疯癫,在主流人士看来自然是绝对的不可能。

那年年底,英国历史和哲学历史学会召集玻尔、玻恩、薛定谔和一些哲学家齐聚伦敦,准备让他们在量子力学诠释上再来一场面对面的思想交锋。然而,薛定谔急性阑尾炎发作破裂,不得不施行紧急手术并卧床休息三个月,错过了这一机会。之后,他把早已准备好的发言稿交给创刊不久的《不列颠科学哲学杂志》(British Journal for the Philosophy of Science)发表。论文题目是一个触目惊心的设问:《量子跃迁存在吗?》(Are There Quantum Jumps?)。

自然,他给出的答案是否定的。不仅如此,薛定谔还在文中将玻尔最早提出的那个瞬时、不连续更没有数学根据的“跃迁”与托勒密(Claudius Ptolemaeus)在哥白尼的日心说之前为解释行星运动所杜撰的“均轮”、“本轮”等繁复而无益的概念(参阅《宇宙膨胀背后的故事(之二):寻觅宇宙的中心》)相提并论,百般挖苦。假如他当时能够按原计划向玻尔当面宣读这篇论文会是一个怎样的情景,只能留给历史的想象。

同样只能付诸想象的是他对艾弗雷特五年后提出的量子力学“多世界”诠释可能的反应。在惠勒和玻尔的合力打压下,艾弗雷特的毕业论文在普林斯顿和哥本哈根小圈子之外基本上无人知晓,很快便销声匿迹。没有证据表明薛定谔曾听说过那个发现。然而,艾弗雷特正是在数学上严格推理出薛定谔那个“不同测量数值可以同时存在”的疯癫想法:他的猫同时是死的和活的,只是分别处在不同的世界里。

正如玻姆的隐变量理论是对德布罗意早期思想的承继和推广,艾弗雷特的多世界诠释正是薛定谔波函数观的一脉相承。30年前,尚且年轻的德布罗意和薛定谔在第五届索尔维会议上被泡利、海森堡等人驳得体无完肤,由那时起被摒弃于量子力学主流之外。30年后,年轻的玻姆和艾弗雷特的命运如出一辙,甚至更为残酷。

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在爱因斯坦去世的1955年夏天,薛定谔告别了都柏林和那里的高等研究院。他再度回到家乡奥地利,在维也纳大学继续担任教授。那时,他67岁的身体在急剧地每况愈下。终于回到他所钟爱的阿尔卑斯山的薛定谔极其遗憾地发现自己在小山坡上已然举步维艰,再也不可能尽情地登山跋涉。

一生陪伴着他的妻子安妮也疾病缠身,同时患有严重的哮喘和抑郁症。在步入晚年之际,这对患难夫妻终于有了情投意合的心心相印。薛定谔与老情人希尔德的女儿也已长大成人,得知了自己的真实身世。作为血缘父亲,薛定谔骄傲地参加了女儿的婚礼,也抱上了自己的外孙。

即使在70岁时正式退休后,薛定谔仍然孜孜不倦地继续着他的物理和哲学思考。与早年写作的《生命是什么》相对应,他回忆录最后部分的总标题为《实在是什么》(What is Real?)。与爱因斯坦一样,薛定谔坚信量子世界的基础是真实的物理实在,而他的实在就是波函数。

在没有爱因斯坦的日子里,他的主要通信对象是比他还年长五岁的玻恩。1960年10月,73岁的薛定谔在给玻恩的信中抱怨:“你知道我爱你,没有任何事情可以改变这一点。但我需要好好地给你洗一次头,所以你站好了别动。你一而再再而三不带任何保留地宣扬哥本哈根诠释已经被广泛接受的无礼行为实在让人难以忍受。……难道你对历史的判决不带焦虑吗?你就如此地自信人类会很快在你自己的胡说八道面前俯首屈服?”

三个月后,薛定谔在1961年1月4日离开了人间。

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薛定谔与妻子安妮合葬的墓地。墓碑上方写有他的波动方程。

薛定谔去世时,以他命名的波动方程已经是物理学生的必修课,也是哥本哈根正统量子力学不可或缺的根基之一,几乎能与牛顿的动力学方程并驾齐驱。在物理学之外,他的《生命是什么》激励了一代年轻学生投身遗传生物研究,包括已经在1953年发现DNA双螺旋结构的沃森(James Watson)和克里克(Fancis Crick)。薛定谔方程和方兴未艾的分子生物学是他永恒的丰碑。

那时依然不为人所广知的是他那只有着奇怪命运的猫。还有那由他命名、在玻姆的心目中已经被切实观察到的量子纠缠。


(待续)



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