日前，英国布里斯托大学授与98岁的罗斯玛丽·福勒女性荣誉博士学位，她在攻读博士期间发现了一种当时觉得奇特的粒子衰变过程，这项发现被觉得是“（引发）改写物理定律的事件”；也是让李政道和杨振宁考虑宇称是不是守恒的起因。但罗斯玛丽·福勒由于家庭缘由离开了学术圈，此后她的这项杰出工作极少被提起。目前，她的母校代表世界一定了她的贡献。

编译 | 刘航

75年前，粒子物理学中一项好像默默无闻的发现，引发了物理学家对自然界最根本的对称性的重新考虑。其发现者——现年98岁的罗斯玛丽·福勒（Ro百度竞价推广ary Fowler，1926-）女性，在近期被其母校布里斯托大学授与荣誉理学博士学位，她曾因家庭舍弃了我们的博士学位。布里斯托大学校长、诺贝尔奖获得者保罗·纳斯（Paul Nurse）亲自为她举行了学位授与仪式。正是在布里斯托，她的发现——K介子衰变到三个π介子，最后引发了粒子物理学理论的一场革命；Nature杂志将她的发现描述为“（引发）改写物理定律的事件”。

罗斯玛丽·福勒被授与荣誉博士学位

宇宙线中的发现

第二次世界大战前后的几十年是粒子发现的繁盛时期。20世纪30年代，伴随中子、缪子（第二代轻子）和第一个反物质粒子——正电子的发现，亚原子粒子的名单已经远超出了电子和质子的范畴。当时布里斯托大学拥有世界领先的宇宙线物理团队，在塞西尔·鲍威尔（Cecil Powell，1903-1969）教授的带领下，实验室健全了用感光底片研究宇宙线的技术。在这之前，因为乳胶的灵敏度不高，只能记录一些能量较小而电离较大的粒子径迹，容易遗漏能量较大而电离较小的粒子，这就减少了发现新粒子的机会。鲍威尔与其合作者提升了乳胶的灵敏度并增加了乳胶的厚度，使带电粒子通过乳胶时产生电离，显影后呈现黑色晶粒而留下径迹。鲍威尔的实验组正在努力从宇宙线中探寻新的基本粒子。

1947年，塞西尔·鲍威尔证实了π介子的存在，这是介子家族中最轻的粒子。早在1934年，日本物理学家汤川秀树（Hideki Yukawa，1907-1981）就预言了π介子。汤川假设质子和中子之间通过某种场相互吸引，这种场即是π介子，其作为强核力的载体——强相互用途的剩余相互用途。（介子是由一对正反夸克组成的，夸克之间通过胶子传递强相互用途。）

1947年12月，英国曼彻斯特大学的乔治·罗切斯特（George Rochester，1908-2001）和克利福德·巴特勒（Clifford Butler，1922-1999）将介子研究推进到了一个新的阶段。他们仔细剖析了5000张云室照片，发现了被叫做θ的奇异粒子——一种电中性的介子，它能衰变成两个π介子。几个月后，罗斯玛丽发现了与θ粒子极为一样的粒子。

1948年，22岁的罗斯玛丽是塞西尔·鲍威尔小组的一名博士生。她的研究工作是在瑞士少女峰的高海拔实验室中，察看暴露在宇宙线中的光乳胶照片，通过剖析乳胶照片中的粒子径迹来研究高能粒子反应过程。她发现了一些不同一般的东西——一个衰变成三个π介子的奇异粒子。她后来回忆说：“我立刻意识到这是新发现，而且意义重大。大家看到了以前从未见过的结果。”她所察看到的径迹后来被标记为“k-track”，是未知粒子的证据，当时被叫做τ介子。

让人费解的是，τ介子应该是曼彻斯特团队之前看到的θ粒子的镜像，看着二者在各个方面都相同：同样的水平、同样的自旋，等等。但它们的衰变方法却完全不同：τ介子衰变为三个π介子，而θ衰变为两个π介子。罗斯玛丽的发现好像打破了“镜像对称性”，即“宇称对称性”，这两个过程具备相反的宇称。

罗斯玛丽·福勒发现的“τ介子”宇宙线径迹。“τ介子”在A点衰变到π++π++π-，π-随后在B点碎裂。

在粒子加速器进步的早期，通过这种拍下宇宙线乳胶照片的办法，是研究高能粒子物理的主要实验办法。罗斯玛丽对她的这一发现深信不疑，研究小组进行了一段紧张的剖析工作。“在发表这一发现之前，需要进行很多的测量和计算。大家了解这是一个要紧的发现，所以大家很努力地工作，以便尽快完成所有工作。”罗斯玛丽说。

罗斯玛丽等人在短期内连续写了三篇论文，其中两篇发表在1949年1月的《自然》杂志上，罗斯玛丽为第一作者，用的是她本姓布朗（R. Brown）。这符合粒子物理论文按字母顺序排列的惯例，也说明了她在这一工作中的主要贡献。而真的讲解这个恼人的“θ-τ”佯谬，粒子物理学家们花了近十年的时间。

镜像对称性的破坏

在这之前，大家常见相信物理定律是左右对称的，即任何物理过程的镜像也是可能发生的物理过程。罗斯玛丽这一发现引起了科学家们的兴趣，他们开始更深入地研究“宇称”——这个此前被觉得是自然界基本性质的对称性。

在粒子物理学中，宇称是用一个量子数来表达的，这个量子数描述了粒子或场在空间坐标轴反向时的行为。总宇称是通过将过程中不同阶段所涉及的所有粒子的宇称数相乘来计算的。假如宇称是守恒的，则总宇称不可以改变。

π介子的宇称为-1，罗斯玛丽发现的τ介子衰变为三介子末态，其宇称应该也为-1。但θ衰变的双介子末态的宇称是+1。假如宇称守恒，那样两个过程中初始粒子也需要具备不一样的宇称，因此应该是不相同种类型的粒子。但没一个理论可以讲解，为何两个不相同种类型的粒子会有一模一样的水平。这就是著名的θ-τ之谜。

当时很多合作组跟随她的脚步，仔细研究了云室的照片，并用气象气球将很多的感光乳胶底片送入大方层，以探寻τ介子衰变的征兆。至1953年，物理学家共观测到了11个事例。劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的大型粒子加速器Bevatron从1954年开始运行，到1955年也产生了35个事例。大型粒子加速器为粒子物理研究提供了宇宙线以外的另一种要紧研究方法。在这个过程中，科学家引入了一种新的命名惯例：刚开始发现的奇异粒子被叫做K介子，而θ和τ则分别指代衰变到两个和三个π介子的模式。

通过更精准地测量，两类型型的K介子的水平被证实的确相同，这使θ-τ之谜变得愈加让人困惑。1956年4月，为了讨论K介子及其他几个在此期间被发现的让人困惑的奇异粒子，粒子物理学家们在纽约罗彻斯特举行了一场会议。虽然罗斯玛丽和鲍威尔没出席这次会议，但盖尔曼（Murray Gell-Mann，1929-2019）、费曼（Richard Feynman，1918-1988）等几位杰出的科学家出席了会议。在盖尔曼的回忆中，费曼和实验家马丁·布洛克（Martin Block，1925-2016）住在一个房间里，布洛克问他：“假如宇称不守恒如何解决？ θ和τ就不可以是同一个粒子了吗？”费曼在会议上也抛出了这个问题。

布里斯托大学习物理学院留影，图中后排左边靠着柱子的是罗斯玛丽。

事实证明，无人真的能证明宇称守恒，特别在衰变这种弱相互用途过程中。李政道和杨振宁也参加了那次会议，后来经过细致地研究，他们发现事实上弱相互用途中宇称是不是守恒并没被检验过，并于同年十月发表论文，提出了几种具体的实验来检验宇称是不是守恒。起初，他们的论文备受质疑，由于宇称守恒是大部分物理学父母久以来默认的看法；费曼甚至以50倍的赔率打赌，反对宇称不守恒。1956年，李政道与当时世界上衰变范围最权威的专家之一吴健雄讨论有关问题，吴健雄决定拓展实验。因为实验的重要程度，吴健雄舍弃了早已计划好的回国探亲旅游，组织了一个实验团队开始细致的实验工作。通过察看钴-60的β衰变，他们发现大部分末态电子沿钴-60极化方向相反的方向出射。在吴氏实验中，强磁场极化了角动量方向，即自旋方向，原则上不限制末态电子的运动方向。所以，假如宇称守恒，则末态电子，即出射的β射线方向应该在核极化方向的正反方向等概率。而实验只监测到与核极化方向相反的射线，从而他们可以得出结论——宇称守恒在弱用途中确实是不成立的。（编者注：可参见《初中生可以了解的宇称不守恒和吴氏实验》）其后，更多的实验结果接踵而至，直到弱相互用途下宇称不守恒无可不承认。

这个谜题的答案是，两种K介子是同一种粒子，宇称并非自然界中弱相互用途的基本对称性。

吴健雄的实验很巧妙，她还设法证明了自然界打破了另一种对称性——C（电荷共轭）对称性，意思是说，假如将相互用途中的所有粒子换成它们的反粒子，这个过程应以同样的方法发生。这一发现使物理学家们认识到，不仅宇称守恒，对于自然界的其他一些假设存在的对称性都需要精准检验。“CP”——电荷守恒和宇称守恒的结合，当时被觉得是成立的，但随后在1964年的K介子衰变的实验中被证明是被破坏的。CP破坏比宇称破坏具备更深刻的意义，它可能与宇宙中的物质多于反物质有关。

摒弃宇称守恒对物理学家产生了深刻的影响，罗斯玛丽的发现改写了粒子物理学进步道路，大家对基本粒子及其相互用途、尤其是对称性这一基本定义的认识发生了天翻地覆的变化。今天，物理学家仍在借助各种实验研究粒子衰变中的对称性破缺，探寻超出粒子物理学标准模型的新物理。

“玛蒂尔达”效应

罗斯玛丽的历程不免叫人提出如此的问题：为何极少有人听说过她？其中一个缘由可能是，在她那个年代的大部分物理系乃至科学界，非常难做到性别平等。鲍威尔的实验室是个例外。在战争时期，男性需要服兵役，而当时鲍威尔实验室中所用的新科学办法——借助乳胶感光技术对宇宙线成像正在进步，这是一项需要很多人力的工作。鲍威尔的实验室采集到很多宇宙线照片，他雇佣了很多扫描员，这类扫描员（其中大部分是女人）辛苦地在照片中搜寻，将任何不一般或有趣的东西交给物理学家进行进一步剖析。

罗斯玛丽·福勒不是扫描员。她是少数被邀请攻读物理学博士学位的女人之一，她获得了一等学士学位——这对其他人来讲都是非同一般的成绩，特别是在那个年代。罗斯玛丽在上学后便展示出了出类拔萃的理科天分，善于数学但对写作不太有兴趣，这可能和她的爸爸是一名英国皇家海军工程师有关。她成为同年级中唯一一个进入大学的女孩，并且最后携带好看的成绩单成为鲍威尔的研究生。

聪明果断的她在进组后只休了两天假，于1947年6月开始工作。在发现“τ介子”衰变时，她第一个告诉的人是她的博士生同学彼得·福勒（Peter H. Fowler）。“大家花了一些时间察看和考虑，享受发现的时刻。然后我告诉了别的人，”她说。作为核物理先驱欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford，1871-1937）的外孙、量子物理先驱拉夫尔·福勒（Ralph H. Fowler,1889-1944；狄拉克的导师）的儿子，彼得·福勒是一位公认的才华横溢的年轻物理学家。他比罗斯玛丽大三岁，但比她晚一年入学，他的学业因服兵役而中断。他们两人于1949年结婚，同时罗斯玛丽决定离开学术界。在罗斯玛丽的大力支持下，她的老公彼得·福勒获得了很杰出的职业生涯，在实验探测宇宙线方面获得了要紧成就。

当被问及为何在那之后未完成博士学位就离开了学术事业时，罗斯玛丽的回答非常务实。生活在食品和住房短缺的困难年代，三个女儿需要人照顾，需要保持生活，于是她决定让彼得·福勒继续从事物理工作，她觉得这是最好的安排。罗斯玛丽的女儿玛丽·福勒（Mary Fowler）回忆道：“小时候我想成为一名物理学家，爸爸妈妈都是物理学家，物理和研究是厨房餐桌上的谈资！罗斯玛丽影响了大家所有人——大家都沉迷科学和数学。无人觉得女生办不到。”她目前是出色的地球物理学家，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，这次的学位授与仪式就是在剑桥达尔文学院举行的。

伴随时间的推移，在各种出版物中，罗斯玛丽的贡献常常被归功于她的老公或鲍威尔。但鲍威尔明确承认罗斯玛丽在这一发现中的主要贡献。但这好像确实是“玛蒂尔达”效应的一个例子，即女人科学家的贡献常常被忽略或归因于男士同行。[玛蒂尔达效应以美国作家和活动家玛蒂尔达·乔斯林·盖奇（Matilda Joslyn Gage）的名字命名。1870年，她写了一本名为《作为创造家的女性》（Woman as Inventor）的小册子，谴责当时广为流传的女人缺少创造力和科学才能的看法。]

罗斯玛丽不是唯一一个贡献被低估的科学家。鲍威尔因用感光乳胶技术发现π介子而获得1950年诺贝尔物理学奖，但该技术的创造者、奥地利物理学家玛丽埃塔·布劳（Marietta Blau，1894-1970）的贡献却被忽略了，即便她后来多次被薛定谔提名为诺奖候选人；印度物理学家比巴·乔杜里（Bibha Choudhuri，1913-1991）在二战期间发表在《自然》的论文中也出现了π介子的证据，她的工作甚至比布劳的更不为人所知……

现在，距离罗斯玛丽的发现已经过去了75年，她被授与荣誉博士学位，证明大家将永远记住她所作出的要紧贡献。

特 别 提 示

1. 进入『返朴』公众号底部菜单“精品专栏“，可查阅不同主题系列科普文章。

2. 『返朴』提供按月检索文章功能。关注公众号，回复四位数组成是那一年的+月份，如“1903”，可获得2019年3月的文章索引，以此类推。

版权说明：欢迎个人转发，任何形式的媒体或机构未经授权，不能转载和摘编。转载授权请在「返朴」公众号内联系后台。

Tags：科学