吳健雄為何錯失諾貝爾獎

朱安遠

袁家騮和吳健雄夫婦婚禮照

美籍華裔女核物理學家、粒子和實驗物理學家吳健雄（Chien-Shiung Wu，1912—1997）出生于蘇州市太倉瀏河鎮一個書香世家，1934年獲國立中央大學物理學學士學位，1935—1936年在首位華人物理學女博士、中央研究院物理研究所（上海）顧靜徽研究員的指導下從事光譜學研究。吳健雄于1936年7月乘船離滬赴美留學，同年8月抵達舊金山伯克利，幾天后便結識比她早兩周來到伯克利的袁家騮（后轉學于加州理工學院），1940年獲加州大學伯克利分校（UCB）物理學博士學位，其名義博導是勞倫斯教授，實際導師則是塞格雷。

美籍華裔物理學家袁家騮（Luke Chia-Liu Yuan，1912—2003）是袁世凱之孫，1940年獲加州理工學院物理學博士學位，其博導是密立根教授。 1942年5月30日，袁家騮和吳健雄在時任加州理工學院院長密立根教授寓所的花園里舉行婚禮，當時在該學院工作的錢學森出任婚禮攝像師。袁家騮和吳健雄夫婦于1947年育獨子袁緯承（物理學家），夫婦倆1954年一同入籍美國。知名女科學家因傾心于科研事業，很多人選擇終生獨身，也有人結婚后不得不離異，因揭示人體大腦GPS定位機制而雙雙榮獲2014年諾貝爾生理學或醫學獎的莫澤夫婦于2016年以離婚收場。袁家騮和吳健雄夫婦是事業和家庭雙豐收的“神仙眷侶”，其婚姻生活堪稱完美。

吳健雄的主要學術貢獻

吳健雄因在獲得博士學位前后發現并解決了鏈式反應無法持續的重大技術難題（鈾核裂變產生的一種氙會阻止鏈式反應的可持續性）而被譽為“原子彈之母”，邁特納因首先正確給出重核裂變現象的理論解釋亦享此譽。吳健雄深得“原子彈之父”奧本海默和博導塞格雷的賞識和信任，獲得特殊的保密許可，1944年3月至1946年3月作為哥大戰時研究部科學組成員從事鈾元素氣體擴散制程、核裂變放射探測的實驗研究和γ射線探測器的改進，從而成為唯一參與過曼哈頓計劃的中國人。

吳健雄在工作

吳健雄的實驗以精準著稱于世，在40余年的科學生涯中，她在實驗物理學領域主要做出過三大突出貢獻：一是，1946—1952年，在β衰變方面所進行的一系列精確實驗，尤其是對β衰變電子能譜學的精確實驗研究，為β衰變理論打下了堅實的實驗基礎。她采用自己的實驗結果，對1934—1948年間物理學界在β衰變理論方面的研究工作做了一個總結和分析，澄清了以前的謬誤，否定了科諾平斯基-烏倫貝克理論，確立了費米理論，對β衰變機制的確立發揮了關鍵作用，把β衰變研究推向一個新階段，從而使她自己成為β衰變（即弱相互作用）研究領域的世界級權威。二是，1957年通過精密實驗驗證了β衰變中宇稱不守恒定律。該實驗由吳健雄發起并主導，稱之為“吳實驗”應屬實至名歸。三是，1963年以精確的實驗結果證實β衰變中矢量流守恒定律，這是1958年由費曼和蓋爾曼首先預言的。宇稱不守恒定律被證實以后，科學家從實驗中總結出弱流是由矢量流和軸矢量流耦合而成的，即V-A弱相互作用理論，其中矢量流是守恒的，稱為CVC理論；軸矢量流則是部分守恒，它只在高能現象中才守恒，稱為PCAC理論。

青年才俊李政道和楊振寧

θ-τ之謎和李-楊假說

始于1953年的θ-τ之謎（后證實θ和τ實為同一種粒子，即電中性K介子）令粒子物理學界困擾不已而成為當時物理學界所關注的焦點問題。1956年4月上旬召開的羅切斯特會議廣泛而深入地討論了這個疑難問題，會后幾天，中國旅美理論物理學家李政道和楊振寧便聯袂合作，重新梳理思路，大膽沖破宇稱守恒普適性的羈絆，以將檢測量從二維標量改為三維贗標量為突破口，完成論文《在弱相互作用中宇稱是否守恒？》（1956年10月1日正式發表時，期刊編輯將文題改為“弱相互作用中的宇稱守恒質疑”），率先系統性地提出了李-楊假說（經實驗驗證后便成為物理學定律，即弱相互作用中宇稱不守恒定律）：通過演算明確指出已有的弱相互作用實驗并未驗證過宇稱守恒，同時還提出可用4類5種實驗方案來檢驗他們的預言。這些實驗方案的提出也凝結著吳健雄的心血和功勞，吳健雄正是作者文末致謝的五人之一。

因受傳統觀念束縛和囿于成見，當時包括朗道、泡利、布洛赫和費曼等在內的大師級物理學家都想當然地將宇稱守恒定律奉為不可動搖的金科玉律。特別是朗道，其手下的約瑟夫·沙皮羅也在積極地破解θ-τ之謎，1956年他本來比李楊早幾個月就已得出在介子衰變和β衰變時宇稱不守恒的結論，并將論文提交給朗道審定，但朗道自恃智力超群，喜歡獨斷專行，固執傲慢地將論文束之高閣而置之不理。

李楊從正式發表著名的經典論文《弱相互作用中的宇稱守恒質疑》到以這一重大理論成果榮獲1957年諾貝爾物理學獎，歷時僅13個月整，創下諾獎頒獎史上獲獎最快的紀錄，這一紀錄至今仍未被打破。李政道獲諾獎時的年齡不足31歲，迄今仍是次年輕的諾貝爾科學獎得主。當年楊李持有中華民國護照，開創了中國人首次榮膺諾獎的歷史。楊振寧和李政道分別于1964年和1962年才入籍美國，2015年楊振寧放棄美國籍而恢復中國籍。

弱相互作用中宇稱不守恒的實驗驗證

吳健雄具有超常的洞察力和智慧，她從李楊口頭和預印本上獲知他們提出宇稱可能不守恒的重要思想以后，深感意義重大，毅然推掉已與夫君規劃好的旅行講學計劃，急迫地投入到關于宇稱不守恒的實驗驗證工作之中。當時許多人因對實驗前景持悲觀態度而不愿意去做，楊振寧由此稱贊吳健雄“獨具慧眼”則略失偏頗，因泰勒格第小組實驗的正式啟動時間和吳健雄小組就難分伯仲，事前各自保密，雙方互不知情。

吳健雄從1956年5月6日開始考慮并積極準備實驗方案，她理所當然地優選自己熟知的超低溫下Co-60原子核極化β衰變實驗方案，為此她邀請華盛頓國家標準局（NBS）低溫實驗室的安布勒（E. Ambler）、海沃德（R. W.Hayward）、霍普斯（D. D. Hoppes）和哈德森（R. P. Hudson）四位低溫科學家合作進行實驗研究。9月中旬，吳健雄在NBS首次面晤安布勒，正式啟動實驗，實驗中的最低溫曾低至4 mK，12月2日首次獲得正面結果，圣誕節前夜已取得“初步結果”，興奮異常的吳健雄連夜電話告知李政道實驗進展并叮囑注意保密（吳健雄素來注重保密工作）。吳健雄小組的實驗經過嚴密驗證后，于1957年1月9日凌晨2時許終獲圓滿成功，立下實驗驗證宇稱不守恒的頭功。

同樣處于興奮狀態的年輕的李政道可能是出于獲取更多實驗證據的目的，他還是情不自禁地將吳健雄小組的初步實驗結果泄密給了其他物理學家并鼓動他們開展進一步的實驗驗證。伽文-萊德曼小組成員萊德曼在1月4日哥大物理系例行的周五“上海餐館”午餐會上獲知李政道主動透露的吳健雄小組的重要進展以后才引起足夠重視，他們深受鼓舞和啟發，奮起直追，立刻著手實驗，選擇π→μ→e級聯衰變實驗方案，并根據李政道在加速器上做實驗的建議（即所謂電子學方法），連夜便構思出簡單便捷和高效易判的實驗方案，在哥大尼維斯回旋加速器實驗室進行實驗，1月7日便獲“初步結果”，次日6時前實驗結束，正式宣告“宇稱守恒死了！”（當天6時整由萊德曼電話通知李政道），他們的實驗方案設計精巧（因擔心宇稱不守恒效應微弱，吳健雄小組的實驗設計和驗證過程則過于謹慎和繁復），后來居上，速度甚快，效率奇高！他們的實驗是在得知吳健雄小組的初步實驗結果后才開始行動的，可能是出于科學道德和行為規范方面的考慮，再加上李政道的親自勸阻，報告實驗結果的論文并未“搶先”發表（1957年2月15日與吳健雄小組的實驗論文同時發表于第105卷第4期《物理學評論》雜志，編輯部收稿日期均是1957年1月15日），文末還對獲知吳健雄小組的初步實驗結果表示感謝。

吳健雄和NBS科學家（霍普斯缺席合影）

芝加哥大學泰勒格第小組采用照相核乳膠技術來完成π→μ→e級聯衰變實驗，因泰勒格第在實驗過程中赴歐洲奔父喪并陪護母親過圣誕節而耽擱實驗進程。報告實驗初步結果的論文于1957年1月17日被編輯部收稿，刊發于1957年3月1日第105卷第5期《物理學評論》，完整結果則刊發于1957年6月15日第106卷第6期《物理學評論》，后文還將前2個實驗小組的論文列為參考文獻。

1957年1月15日，哥倫比亞大學物理系舉行了一場“史無前例”的——語出美國物理學家伯恩斯坦（Jeremy Bernstein），他因1962年5月12日在《紐約客》雜志發表《宇稱問題側記》一文而知名，該文是造成楊李徹底決裂的導火索——新聞發布會，由哥大物理系資深元老級人物拉比教授主持，與會者中包括李政道、吳健雄、伽文（Richard Garwin）、萊德曼以及NBS的安布勒、海沃德和哈德森等。大會宣布吳健雄小組關于宇稱不守恒的判決性實驗已獲圓滿成功，宇稱守恒定律被推翻，同時還發布哥大伽文-萊德曼小組亦獲得實驗成功，此事轟動一時而成為科壇佳話。三個小組各自獨立地采用不同的實驗手段和方法均驗證了弱相互作用中的宇稱不守恒，其后2～3年內相繼有數百個不同實驗都能得到相同結論。弱相互作用中宇稱不守恒定律的發現，打開了物理學的新視野，促成了人類對自然現象認識的一個根本性變革。

楊振寧認為這種以新聞發布會的方式來宣布一項科研成果不大有格調，故他受邀且被再三敦促，但依然選擇缺席。這種論文發表前便以新聞發布會的方式來宣布重大科研成果在業內頗受詬病，故類似事件此后罕有再現。

科學家們通過幾十年的努力，對弱相互作用中宇稱如何不守恒已基本厘清，但是對宇稱為何偏偏獨在弱相互作用中不守恒的機制探索仍迷霧重重。

吳健雄與諾貝爾獎擦肩而過

根據諾獎的遴選流程和評選規則，獲得諾獎提名是贏取諾獎的前提和必由之路。合格諾獎提名函不得晚于當年1月31日到達各個諾貝爾委員會（簡稱諾委會），逾期則無效。但諾委會委員們享有一項特權，就是他們的增補提名不受此截止日期的限制，他們可在不晚于首次諾委會會議召開時提交自己的推薦名單。

吳健雄小組的論文正式發表于1957年2月15日，顯然已錯過當年諾獎的提名截止日（1月31日）。因時間過于緊迫，當時的通訊也遠不如當今便利快捷，且對實驗驗證的優先權存有爭議，她也就沒能獲得物諾委委員的增補提名。因吳健雄根本就沒有獲得過1957年度諾貝爾物理學獎提名，那么她沒能與楊李分享諾物獎也就順理成章了。檢索諾獎官網提名數據庫后得知，1958—1966年吳健雄在5個年度內至少曾獲得過8人次諾物獎提名，其中包括1964年李政道的1次提名。在楊李獲獎之后，就不會再給這項成果頒發諾獎，況且吳健雄的后續研究成果再難以逾越自己，她也就永遠錯失了榮登諾獎得主殿堂的絕佳機會。

當年頒獎機構（瑞典皇家科學院）不授予吳健雄以諾獎是明智的和合乎情理的最佳選擇，基本上不關乎一度曾甚囂塵上的各種歧視說（如性別歧視說、國別/地域歧視說、種族/族裔歧視說和輕視實驗說等）。假若當年吳健雄小組能獨享實驗驗證的優先權，且吳健雄已獲諾獎提名（若能獨享優先權，就會有利于她獲得提名，甚至獲得更多的提名），那么她與楊李分享諾獎就會是大概率事件，與所謂實驗原創性的高低應該關系不大，只可惜歷史是無法假設的。換句話說，吳健雄未能獲取諾獎的最根本原因，其根源應歸結于李政道的“無意泄密”，他的“不以為意”在客觀上導致吳健雄小組喪失獨有優先權，從而釀成了不可挽回的極大憾事，這也是李政道事前始料未及的。李政道和吳健雄的私人關系一直良好且親密，事后李政道對泄密之事頗感懊悔。吳健雄小組的驗證實驗只是整個驗證過程的一部分，假若當年僅有吳健雄一個小組取得驗證實驗的成功，那么楊李吳的成就就很難在那么短的時間內獲得科學界的普遍承認（即影響力會明顯削弱），3人或2人分享諾獎也許還要等待一段時間。

2009年7月2日，楊振寧教授在清華大學寓所“歸根居”接受楊建鄴教授訪談時說：“萊德曼的實驗很重要，因為吳健雄的實驗只有百分之一二的不對稱，而萊德曼的實驗幾乎是百分之百的準確。”據此可以推定，如果沒有伽文-萊德曼小組的實驗，僅憑吳健雄小組的實驗，楊李也許在1957年還無法獲得諾獎。因此，吳健雄與諾獎擦肩而過的最核心原因有二，一是因諾獎頒獎過快，導致吳健雄還未及獲得當年諾獎提名；二是吳健雄小組因李政道“口風不緊”而喪失了獨享實驗驗證優先權。吳健雄與包括庫提（Nicholas Kurti）在內的某些低溫物理學家交惡，這件事與她錯失1957年諾物獎并無什么關聯，但確實會給她后來因其他成就而贏取諾獎帶來負面影響。

吳健雄在李楊研究之初就提供了核心而具體的Co-60原子核極化β衰變的實驗思想和方法。吳健雄若想順利贏取諾獎的途徑或前提亦有二，一是在李楊那篇著名的獲獎論文中三人聯合署名，二是獨享實驗驗證優先權且諾獎并未頒獎過快。吳健雄遺憾地錯失諾獎，但她憑借自己卓著的學術成就依然在國際物理學界贏得崇高地位。諾獎的缺失并沒有阻礙她成為一位偉大的物理學家。