這位華裔美國物理學家領導了革命性的實驗，證明了宇稱不守恆和光子糾纏。物理學界許多人認為，吳健雄生前應該獲得更多的讚譽。
American Association of Physics Teachers/Courtesy of the AIP Emilio Segrè Visual Archives
美國郵政局於 2021 年發行了一枚紀念郵票，以紀念來自中國的女性核物理學家吳健雄。她在曼哈頓計劃中扮演了重要角色，並因此加入了愛因斯坦、費米和費曼等著名物理學家的行列，成為受美國郵政局表彰的精英。同時，這也重新引發了吳健雄的職業生涯和成就未能獲得應有認可的討論。
在曼哈頓計劃中，吳健雄參與了利用氣體擴散分離鈾-235 和鈾-238 同位素的研究；這一過程後來在田納西州橡樹嶺的 K-25 工廠被大規模使用。她還改進了蓋革計數器，使其能更精確地測量核輻射強度。據推測，她是唯一參與曼哈頓計劃的華人 [1,2]。
吳健雄對中子吸收截面的專業知識給曼哈頓計劃負責人羅伯特·歐本海默留下了深刻印象。歐本海默曾於 1940 年擔任她在加州大學柏克萊分校博士論文委員會的成員，並親切地用中文稱呼她為「姊姊」[3]。
為了紀念吳健雄的成就，美國郵政局於 2021 年 2 月 11 日，即國際女性和女童科學日，發行了她的紀念郵票。吳健雄在男性主導的物理學領域工作了超過 40 年，並善於透過精確實驗檢驗基礎物理理論 [4]。她的高度機密研究大幅改善了分裂鈾原子並釋放其能量的過程，最終促成了世上第一顆原子彈的誕生 [5]。
但這並不是故事的結尾；甚至連開始都算不上。
吳健雄（下排中央）於 1967 年參加了在以色列雷霍沃特舉行的第二屆高能物理與核結構國際會議。（圖片來自美國物理教師協會，由 AIP Emilio Segrè 視覺檔案館提供。）
打破鏡像對稱
吳健雄因一項實驗而受到國際矚目，此實驗證實了理論物理學家李政道（哥倫比亞大學）和楊振寧（紐澤西州普林斯頓高等研究院）提出的理論，該理論為他們贏得了 1957 年的諾貝爾物理學獎 [6]。前一年，這兩位年輕的華裔理論物理學家提出，自然界中的弱相互作用可能不遵守宇稱對稱性（Parity Symmetry）。吳健雄憑藉在實驗物理學和貝塔衰變領域的卓越影響力與非凡才能，領導來自哥倫比亞大學和華盛頓國家標準局（現美國國家標準與技術研究院）的科學家團隊，測試了李政道和楊振寧的開創性理論的預測。
1956 年末至 1957 年初，吳健雄進行了一項實驗，測量放射性鈷-60 核是否在其自旋方向和反方向釋放出相等數量的電子。她發現，絕大多數電子朝著核自旋的相反方向飛出，徹底顛覆了物理界對對稱性的傳統認知（如下圖所示）。實驗表明，基本粒子與其鏡像並非總是完全相同 [7]，宇宙在某些情況下能區分「左」與「右」。
吳健雄與其合作團隊驗證了李政道和楊振寧提出的宇稱不守恆理論，促使諾貝爾獎頒發給這兩位理論物理學家。然而，吳健雄卻未能獲得這項榮譽。諾貝爾獎這次罕見地青睞理論家，而非實驗家。
直到最近，人們才逐漸認識到吳健雄對量子力學基礎所做的開創性貢獻。
吳健雄於 1942 年左右在史密斯學院物理實驗室組裝一台靜電發電機。（圖片由 AIP Emilio Segrè 視覺檔案館提供。）
2022 年 9 月，在華盛頓特區附近舉行了一場紀念活動，慶祝吳健雄誕辰 110 週年 [8]。曾於 2001 至 2013 年參與諾貝爾物理學獎委員會並於 2013 年擔任主席的拉斯·布林克（Lars Brink）表示，他認為吳健雄的宇稱不守恆實驗屬於「諾貝爾等級」。他還提到，楊振寧曾在一次晚宴上告訴他，吳健雄該是 1957 年諾貝爾獎的共同得主之一。
布林克進一步指出，宇稱不守恆實驗僅是吳健雄「一盒珍珠中的兩顆寶石」之一。第二顆寶石在科學界較鮮為人知，即是她於 1949 年首次進行的光子糾纏實驗驗證 [9]。儘管量子糾纏的概念早在 1930 年代就被提出，但由於當時研究社群集中心力於粒子物理學，該主題直到 20 世紀後期才受到廣泛關注。近幾十年來，量子糾纏成為量子資訊、量子計算和量子科技等新興領域的基石。
早期的糾纏理論
量子糾纏的概念於 1935 年 5 月由愛因斯坦、鮑里斯·波多爾斯基（Boris Podolsky）和內森·羅森（Nathan Rosen）提出，他們當時均在普林斯頓高等研究院工作。他們在開創性論文《量子力學對物理現實的描述可以被認為是完整的嗎？》中探討了這一嶄新理念（該論文後被稱為 EPR 論文）[10]。該論文研究了一對粒子，這對粒子的距離遠超過交互作用範圍，且總動量為零。他們的研究凸顯了一個困境：在用波函數描述物理系統時，局域性、可分性與完備性之間存在根本上的不一致性。
EPR 論文指出，透過測量第一個粒子的位置而不干擾第二個粒子，可以精準預測第二個粒子的位置，因為這對粒子的位置是完全相關的。同樣地，透過測量第一個粒子的動量，而非位置，可以精準預測第二個粒子的動量，因為這對粒子的動量是完全反相關的。然而，量子力學中的不確定性原理禁止同時準確測定單一粒子的位置和動量。
吳健雄與研究生於 1975 年左右在哥倫比亞大學實驗室內的工作場景。（圖片來自美國物理教師協會，由 AIP Emilio Segrè 視覺檔案館提供。）
EPR 悖論得出結論：若兩個分開的物體的真實狀態彼此之間是獨立的，那麼量子力學對物理現實的波函數描述並不完整。EPR 思想實驗的核心在於，一個不可分解的波函數描述了兩個粒子向不同空間區域移動，但它們的位置始終完全相關，動量則完全反相關。「不可分解」意指該波函數無法表示為其局部波函數成分的簡單乘積。這種複合量子系統的奇特性質（以其不可分解的波函數為標誌）如今被稱為量子糾纏。
然而，這些僅僅是以思想實驗出發的哲學性探討。在第二次世界大戰期間，物理學家的興趣主要集中在核分裂的機制。直到 EPR 論文發表十一年後的 1946 年 10 月，約翰·惠勒（John Wheeler）在參與曼哈頓計劃後返回普林斯頓大學，提出了一個測試量子電動力學假說的實驗計劃，該假說由保羅·狄拉克於 1930 年代提出。
在題為《多電子》（Polyelectrons）的論文中，惠勒研究了一種不穩定的類氫系統——由電子與正子組成的正電子素（positronium）[11]。他提議要偵測由電子與正子湮滅產生的糾纏伽瑪光子對。惠勒強調，這些伽瑪光子主要來自自旋單元組（spin-singlet state）——這是一種總角動量為零、具有反平行自旋的量子態。總角動量守恆要求伽瑪光子沿相反方向射出，且具有正交的線性偏振。
有趣的是，這種空間中佔據大範圍的非束縛單元組正是愛因斯坦、波多爾斯基與羅森在思想實驗中用來說明量子理論不完整性的狀態。為了在實驗上測量糾纏的伽瑪光子，惠勒提議讓每個光子與電子碰撞進行康普頓散射，然後個別進行偵測。同時檢測到的光子事件將表明這些伽瑪光子來自同一個湮滅事件。
每個散射事件可以用相對於光子初始軌跡的散射角與軸向散射方向（azimuthal scattering direction）來描述。雖然伽瑪光子對的散射角可能相同，其散射方向可以是平行或垂直的。惠勒提出，可以透過計算兩種相對方向的機率差與和的比值，來研究特定散射角下的機率不對稱性。這個提案迅速啟發了兩個獨立的研究團隊進行更詳細的計算工作。
左圖戴帽者：伊爾文·沙克諾夫（Irving Shaknov），吳健雄的研究生，在第二次世界大戰中因英勇行為獲得銅星勳章。完成博士學位後，他加入了美國海軍的軍事服務機構——作戰評估組（Operations Evaluation Group）。1952 年 5 月 14 日夜晚，他在韓戰中陣亡，年僅 30 歲。（資料來源：海軍分析中心，〈Irving Shaknov: A Singular Life〉，連結。）
右圖：拉斯·布林克（Lars Brink），瑞典查爾姆斯理工大學的理論物理學家，曾擔任諾貝爾物理學獎委員會成員，並於 2013 年擔任主席。他於 2022 年 10 月去世前一個月，發表了一場有關吳健雄諾貝爾級實驗的講座。（圖片來源：Alex Ljungdahl © Nobel Outreach AB 2013。）
量子電動力學
1947 年 6 月，英國物理學家莫里斯·普賴斯（Maurice Pryce）與牛津大學的博士生約翰·克萊夫·沃德（John Clive Ward）共同發表了一篇論文，探討湮滅輻射的角相關效應 [12]。五個月後，布魯克海文國家實驗室的三位物理學家——哈特蘭·斯奈德（Hartland Snyder，因與奧本海默合作分析恆星塌縮成黑洞的理論聞名）、西蒙·帕斯特納克（Simon Pasternack）和約翰·霍恩博斯特（John Hornbostel）——發表了一篇探討相同主題的論文 [13]。兩個研究團隊均發現，最大不對稱比為 2.85，且出現在散射角為 82° 時。
吳健雄把握了這難得的機遇。1949 年 11 月，她與研究生伊爾文·沙克諾夫在哥倫比亞大學普平館（Pupin Hall）的地下室進行了一系列光子測量實驗，以驗證糾纏伽瑪光子角相關的理論預測。
宇稱不守恆現象由吳健雄主導的實驗所證明 [7]。她和她的同事測量了鈷-60 核在外加磁場下極化時所釋放的 β 衰變電子。如果弱交互作用遵守守恆宇稱，那麼電子的發射方向應與核自旋方向無關。然而，實驗觀察到電子發射方向與核極化方向有關，從而證實了弱相互作用不遵循鏡像對稱的理論。
在地下實驗室中，吳健雄和沙克諾夫利用加速的氘核轟擊銅箔，產生不穩定的銅-64 核。該同位素經 β 衰變產生正子，正子與附近的電子湮滅，生成一對沿相反方向運動的伽瑪光子。在實驗中，吳健雄和沙克諾夫將銅-64 核裝入一個長 8 毫米的微腔中，並使用兩套由光電倍增管和有機結晶閃爍體（anthracene crystal scintillators）組成的伽瑪射線探測系統進行測量。
有趣的是，她並不是第一個嘗試驗證惠勒角相關預測的人。普渡大學的恩斯特·布勒（Ernst Bleuler）和赫爾穆特·布拉特（Helmut Bradt）於 1948 年 4 月在《物理評論》上宣稱他們觀察到了伽瑪光子對的角相關 [14]，並發現當散射角為 90° 時，不對稱比為 2.1 ± 0.64。然而，由於誤差範圍較大，該結果不足以支持或否定理論。同年 8 月，英國卡文迪許實驗室的 R. C. Hanna 進行了類似實驗，結果顯示觀測到的不對稱比系統性地低於理論預測值 [15]。
作為當時最傑出的實驗物理學家之一，吳健雄以其巧妙且精確的實驗設計而聞名。為了消除角相關測量中的潛在誤差，她設置一個固定的探測器，將另一個探測器分別放置於 0°、90°、180° 和 270° 的相對方位角。隨後，她反過來固定第二個探測器，並旋轉第一個探測器。整個測量過程連續進行了 30 小時。
結果出爐。1950 年 1 月 1 日，吳健雄和沙克諾夫以一篇不到一千字的短篇通訊論文發表了他們的實驗結果 [16]。實驗報告中的不對稱比為 2.04 ± 0.08，與理論預測的 2.00 高度吻合。該實驗成為自 1935 年 EPR 論文發表以來，光子糾纏的首次決定性驗證。
貝爾不等式
基於 EPR 悖論，約翰·貝爾於 1964 年發表了一篇歷史性的論文，提出了著名的貝爾定理。他證明，在某些測量中，局域隱變量理論無法解釋量子力學的預測，從而為量子糾纏的實驗測試奠定了基礎。受到貝爾研究的啟發，約翰·克勞澤（John Clauser）在加州大學柏克萊分校做博士後研究期間，設計並進行了貝爾定理的實驗測試。克勞澤在1975 年前往拜訪哥倫比亞大學時，重新激發了吳健雄對高能伽瑪光子角相關的興趣。這些光子可以用於檢驗貝爾定理中最關鍵的不等式。
在 1949 年的實驗中，吳健雄與沙克諾夫使用銅-64 作為正子的來源。這些正子與電子碰撞，生成兩個偏振方向彼此垂直的伽瑪光子：一個水平偏振（H），一個垂直偏振（V）。這些光子經由鋁進行康普頓散射，然後在撞擊蒽晶體時產生可量測的閃光。在這個實驗中有兩個探測器負責測量散射光子，其中一側的探測器是固定的，另一側的探測器可旋轉 [17]。他們測得湮滅光子散射的重合率證實了這些光子的糾纏狀態。
隨後，吳健雄與她的研究生倫納德·卡斯戴（Leonard Kasday）和約翰·厄爾曼（John Ullman）一同對光子康普頓散射的角分佈進行了新的實驗。實驗中，其中一個探測器可以設置為任意方位角，而另一個探測器固定不動。研究結果表明，如果能夠完美探測高能光子的偏振，他們的結果將違反貝爾不等式，從而直接否定局域隱變量的存在 [17]。這一發現不僅進一步證實了量子力學的預測，也為局域性、決定論和現實本質的辯證做出重要貢獻。
2022 年 10 月 4 日，就在拉斯·布林克發表關於吳健雄實驗重要性言論後的短短一週，瑞典皇家科學院宣布阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）、約翰·克勞澤（John Clauser）和安東·蔡林格（Anton Zeilinger）榮獲當年的諾貝爾物理學獎，理由是「有關量子糾纏的實驗，確立貝爾不等式的違背驗證並開拓量子資訊學的領域」。由於吳健雄於 1997 年去世，且諾貝爾獎不追授，她無法因早期的光子糾纏實驗而被列入考慮。然而，儘管她曾獲得至少 12 次提名，並在最終獲獎領域作出了兩次頂尖的貢獻，她卻從未獲得這一殊榮（參見《物理今日》線上文章，〈1901–1970 年物理學諾貝爾獎提名者〉，2022 年 9 月 29 日）。不過，此一疏漏並不減吳健雄的成就。
她的科學貢獻並不止於原子彈的發展。她促進了人類對物理宇宙深刻而嚴謹的理解。正如哥倫比亞大學的埃琳娜·艾波（Elena Aprile）在 2022 年紀念吳健雄生平與工作的活動中所說：「作為一名在男性主導的領域中孤軍奮戰的女性，她以不屈的精神、決心與對科學探索的專注，在那個大多數機會將女性拒於門外的時代成為一位開拓者 [8]。」艾波於 1986 年加入哥倫比亞大學物理系，成為該系第二位女性教授，距吳健雄進入該系已有四十多年。
參考文獻
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3. J. Yuan, “Discovering Dr. Wu,” The Washington Post, 13 December 2021.
4. USPS News, “‘First Lady of Physics’ Receives High Honor,” 11 February 2021.
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6. S. B. McGrayne, Nobel Prize Women in Science: Their Lives, Struggles, and Momentous Discoveries, 2nd ed., Joseph Henry Press (1998).
7. C. S. Wu et al., Phys. Rev. 105, 1413 (1957). https://doi.org/10.1103/PhysRev.105.1413
8. To view the recordings and other material from the International Forum on the 110th Birth Anniversary in Honor of Madame Chien-Shiung Wu, see https://www.cswuforum.org.
9. M. Frank, “The little-known origin story behind the 2022 Nobel Prize in Physics,” Scientific American, 1 April 2023.
10. A. Einstein, B. Podolsky, N. Rosen, Phys. Rev. 47, 777 (1935). https://doi.org/10.1103/PhysRev.47.777
11. J. A. Wheeler, Ann. NY Acad. Sci. 48, 219 (1946). https://doi.org/10.1111/j.1749-6632.1946.tb31764.x
12. M. H. L. Pryce, J. C. Ward, Nature 160, 435 (1947). https://doi.org/10.1038/160435a0
13. H. S. Snyder, S. Pasternack, J. Hornbostel, Phys. Rev. 73, 440 (1948). https://doi.org/10.1103/PhysRev.73.440
14. E. Bleuler, H. L. Bradt, Phys. Rev. 73, 1398 (1948). https://doi.org/10.1103/PhysRev.73.1398
15. R. C. Hanna, Nature 162, 332 (1948). https://doi.org/10.1038/162332a0
16. C. S. Wu, I. Shaknov, Phys. Rev. 77, 136 (1950). https://doi.org/10.1103/PhysRev.77.136
17. L. R. Kasday, J. D. Ullman, C. S. Wu, Nuovo Cim. B 25, 633 (1975). https://doi.org/10.1007/BF02724742
本文感謝Physics Today (American Institute of Physics) 同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於Physics Today, Dec. 2024雜誌內 (https://doi.org/10.1063/pt.oufp.zwkj )。原文作者：Chon-Fai Kam; Cheng-Ning Zhang; Da Hsuan Feng 。中文編譯：林祉均。
Physics Bimonthly (The Physics Society of Taiwan) appreciates Physics Today (American Institute of Physics) authorizing Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by Chon-Fai Kam; Cheng-Ning Zhang; Da Hsuan Feng and was published in (Physics Today, Dec. 2024 https://doi.org/10.1063/pt.oufp.zwkj; ).The article in Mandarin is translated and edited by J.R Lin.
