近日，英國布裏斯托大學授予98歲的羅斯瑪麗·福勒女士榮譽博士學位，她在攻讀博士期間發現了一種當時認為奇特的粒子衰變過程，這項發現被認為是「（引發）覆寫物理定律的事件」；也是讓李政道和楊振寧思考宇稱是否守恒的起因。但羅斯瑪麗·福勒因為家庭原因離開了學術圈，此後她的這項傑出工作很少被提起。現在，她的母校代表世界肯定了她的貢獻。
編譯 | 劉航
75年前，粒子物理學中一項似乎默默無聞的發現，引發了物理學家對自然界最根本的對稱性的重新思考。其發現者——現年98歲的羅斯瑪麗·福勒（Rosemary Fowler，1926-）女士，在最近被其母校布裏斯托大學授予榮譽理學博士學位，她曾因家庭放棄了自己的博士學位。布裏斯托大學校長、諾貝爾獎獲得者保羅·納斯（Paul Nurse）親自為她舉行了學位授予儀式。正是在布裏斯托，她的發現——K介子衰變到三個π介子，最終引發了粒子物理學理論的一場革命； Nature 雜誌將她的發現描述為「（引發）覆寫物理定律的事件」。
羅斯瑪麗·福勒被授予榮譽博士學位丨圖源：davidjohnsonphotographic.co.uk
宇宙線中的發現
第二次世界大戰前後的幾十年是粒子發現的繁盛時期。20世紀30年代，隨著中子、繆子（第二代輕子）和第一個反物質體子——正電子的發現，亞原子粒子的名單已經遠超出了電子和質子的範疇。當時布裏斯托大學擁有世界領先的宇宙線物理團隊，在塞西爾·鮑威爾（Cecil Powell，1903-1969）教授的帶領下，實驗室完善了使用感光底片研究宇宙線的技術。在這之前，由於乳膠的靈敏度不高，只能記錄一些能量較小而游離較大的粒子徑跡，容易遺漏能量較大而游離較小的粒子，這就降低了發現新粒子的機會。鮑威爾與其合作者提高了乳膠的靈敏度並增加了乳膠的厚度，使帶電粒子透過乳膠時產生游離，顯影後呈現黑色晶粒而留下徑跡。鮑威爾的實驗組正在努力從宇宙線中尋找新的基本粒子。
1947年，塞西爾·鮑威爾證實了π介子的存在，這是介子家族中最輕的粒子。早在1934年，日本物理學家湯川秀樹（Hideki Yukawa，1907-1981）就預言了π介子。湯川假設質子和中子之間透過某種場相互吸引，這種場即是π介子，其作為強核力的載體——強交互作用的剩余交互作用。（介子是由一對正反誇克組成的，誇克之間透過膠子傳遞強交互作用。）
1947年12月，英國曼徹斯特大學的喬治·羅切斯特（George Rochester，1908-2001）和克里福·巴特勒（Clifford Butler，1922-1999）將介子研究推進到了一個新的階段。他們仔細分析了5000張雲室照片，發現了被稱為θ的奇異粒子——一種電中性的介子，它能衰變成兩個π介子。幾個月後，羅斯瑪麗發現了與θ粒子極為相似的粒子。
1948年，22歲的羅斯瑪麗是塞西爾·鮑威爾小組的一名博士生。她的研究工作是在瑞士少女峰的高海拔實驗室中，觀察暴露在宇宙線中的光乳膠照片，透過分析乳膠照片中的粒子徑跡來研究高能粒子反應過程。她發現了一些不同尋常的東西——一個衰變成三個π介子的奇異粒子。她後來回憶說：「我立刻意識到這是新發現，而且意義重大。我們看到了以前從未見過的結果。」她所觀察到的徑跡後來被標記為「k-track」，是未知粒子的證據，當時被稱為τ介子。
令人費解的是，τ介子應該是曼徹斯特團隊之前看到的θ粒子的映像，看起來二者在每個方面都相同：同樣的品質、同樣的自旋，等等。但它們的衰變方式卻截然不同：τ介子衰變為三個π介子，而θ衰變為兩個π介子。羅斯瑪麗的發現似乎打破了「映像對稱性」，即「宇稱對稱性」，這兩個過程具有相反的宇稱。
羅斯瑪麗·福勒發現的「τ介子」宇宙線徑跡。「τ介子」在A點衰變到 π+ + π+ + π-，π- 隨後在B點碎裂。丨圖片來源：Nature, 163, 82(1949).
在粒子加速器發展的早期，透過這種拍下宇宙線乳膠照片的方法，是研究高能粒子物理的主要實驗方法。羅斯瑪麗對她的這一發現深信不疑，研究小組進行了一段緊張的分析工作。「在發表這一發現之前，必須進行大量的測量和計算。我們知道這是一個重要的發現，所以我們非常努力地工作，以便盡快完成所有工作。」羅斯瑪麗說。
羅斯瑪麗等人在短時間內連續寫了三篇論文，其中兩篇發表在1949年1月的【自然】雜誌上，羅斯瑪麗為第一作者，用的是她本姓布朗（R. Brown）。這符合粒子物理論文按字母順序排列的慣例，也說明了她在這一工作中的主要貢獻。而真正解釋這個惱人的「θ-τ」佯謬，粒子物理學家們花了近十年的時間。
映像對稱性的破壞
在這之前，人們普遍相信物理定律是左右對稱的，即任何物理過程的映像也是可能發生的物理過程。羅斯瑪麗這一發現引起了科學家們的興趣，他們開始更深入地研究「宇稱」——這個此前被認為是自然界基本性質的對稱性。
在粒子物理學中，宇稱是用一個量子數來表達的，這個量子數描述了粒子或場在空間座標軸反向時的行為。總宇稱是透過將過程中不同階段所涉及的所有粒子的宇稱數相乘來計算的。如果宇稱是守恒的，則總宇稱不能改變。
π介子的宇稱為-1，羅斯瑪麗發現的τ介子衰變為三介子末態，其宇稱應該也為-1。但θ衰變的雙介子末態的宇稱是+1。如果宇稱守恒，那麽兩個過程中初始粒子也必須具有不同的宇稱，因此應該是不同型別的粒子。但沒有一個理論可以解釋，為什麽兩個不同型別的粒子會有完全相同的品質。這就是著名的θ-τ之謎。
當時許多合作組跟隨她的腳步，仔細研究了雲室的照片，並用氣象氣球將大量的感光乳膠底片送入大氣層，以尋找τ介子衰變的跡象。至1953年，物理學家共觀測到了11個事例。勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的大型粒子加速器Bevatron從1954年開始執行，到1955年也產生了35個事例。大型粒子加速器為粒子物理研究提供了宇宙線之外的另一種重要研究手段。在這個過程中，科學家引入了一種新的命名慣例：最初發現的奇異粒子被稱為K介子，而θ和τ則分別指代衰變到兩個和三個π介子的模式。
透過更精確地測量，兩種型別的K介子的品質被證實的確相同，這使θ-τ之謎變得更加令人困惑。1956年4月，為了討論K介子及其他幾個在此期間被發現的令人困惑的奇異粒子，粒子物理學家們在紐約羅徹斯特舉行了一場會議。雖然羅斯瑪麗和鮑威爾沒有出席這次會議，但蓋爾曼（Murray Gell-Mann，1929-2019）、費曼（Richard Feynman，1918-1988）等幾位傑出的科學家出席了會議。在蓋爾曼的回憶中，費曼和實驗家馬丁·布洛克（Martin Block，1925-2016）住在一個房間裏，布洛克問他：「如果宇稱不守恒怎麽辦？θ和τ就不能是同一個粒子了嗎？」費曼在會議上也丟擲了這個問題。
布裏斯托大學物理學院留影，圖中後排左側靠著柱子的是羅斯瑪麗。丨圖源：University of Bristol
事實證明，沒有人真正能證明宇稱守恒，尤其在衰變這種弱交互作用過程中。李政道和楊振寧也參加了那次會議，後來經過細致地研究，他們發現事實上弱交互作用中宇稱是否守恒並沒有被檢驗過，並於同年10月發表論文，提出了幾種具體的實驗來檢驗宇稱是否守恒。起初，他們的論文備受質疑，因為宇稱守恒是大多數物理學家長久以來預設的觀點；費曼甚至以50倍的賠率打賭，反對宇稱不守恒。1956年，李政道與當時世界上衰變領域最權威的專家之一吳健雄討論相關問題，吳健雄決定開展實驗。由於實驗的重要性，吳健雄放棄了早已計劃好的回國探親旅行，組織了一個實驗團隊開始細致的實驗工作。透過觀察鈷-60的β衰變，他們發現大多數末態電子沿鈷-60極化方向相反的方向出射。在吳氏實驗中，強磁場極化了角動量方向，即自旋方向，原則上不限制末態電子的運動方向。所以，如果宇稱守恒，則末態電子，即出射的β射線方向應該在核極化方向的正反方向等機率。而實驗只監測到與核極化方向相反的射線，從而他們可以得出結論——宇稱守恒在弱作用中確實是不成立的。（編者註：可參見【中學生可以讀懂的宇稱不守恒和吳氏實驗】）其後，更多的實驗結果接踵而至，直到弱交互作用下宇稱不守恒無可否認。
這個謎題的答案是，兩種K介子是同一種粒子，宇稱並不是自然界中弱交互作用的基本對稱性。
吳健雄的實驗非常巧妙，她還設法證明了自然界打破了另一種對稱性——C（電荷共軛）對稱性，意思是說，如果將交互作用中的所有粒子換成它們的反粒子，這個過程應以同樣的方式發生。這一發現使物理學家們認識到，不只宇稱守恒，對於自然界的其他一些假設存在的對稱性都需要精確檢驗。「CP」——電荷守恒和宇稱守恒的結合，當時被認為是成立的，但隨後在1964年的K介子衰變的實驗中被證明是被破壞的。CP破壞比宇稱破壞具有更深刻的意義，它可能與宇宙中的物質多於反物質有關。
摒棄宇稱守恒對物理學家產生了深刻的影響，羅斯瑪麗的發現覆寫了粒子物理學發展道路，人們對基本粒子及其交互作用、特別是對稱性這一基本概念的認識發生了天翻地覆的變化。今天，物理學家仍在利用各種實驗研究粒子衰變中的對稱性破缺，尋找超出粒子物理學標準模型的新物理。
「瑪蒂爾達」效應
羅斯瑪麗的經歷不免讓人提出這樣的問題：為什麽很少有人聽說過她？其中一個原因可能是，在她那個時代的大多數物理系乃至科學界，很難做到性別平等。鮑威爾的實驗室是個例外。在戰爭時期，男人需要服兵役，而當時鮑威爾實驗室中所用的新科學方法——利用乳膠感光技術對宇宙線成像正在發展，這是一項需要大量人力的工作。鮑威爾的實驗室收集到大量宇宙線照片，他僱用了許多掃描員，這些掃描員（其中大多數是女性）辛苦地在照片中搜尋，將任何不尋常或有趣的東西交給物理學家進行進一步分析。
羅斯瑪麗·福勒不是掃描員。她是少數被邀請攻讀物理學博士學位的女性之一，她獲得了一等學士學位——這對任何人來說都是非同尋常的成績，尤其是在那個年代。羅斯瑪麗在上學後便展現出了出類拔萃的理科天賦，擅長數學但對寫作不太感興趣，這或許和她的父親是一名英國皇家海軍工程師有關。她成為同年級中唯一一個進入大學的女生，並且最後帶著漂亮的成績單成為鮑威爾的研究生。
聰明果斷的她在進組後只休了兩天假，於1947年6月開始工作。在發現「τ介子」衰變時，她第一個告訴的人是她的博士生同學彼得·福勒（Peter H. Fowler）。「我們花了一些時間觀察和思考，享受發現的時刻。然後我告訴了其他人，」她說。作為核物理先驅厄尼斯特·拉塞福（Ernest Rutherford，1871-1937）的外孫、量子物理先驅拉夫爾·福勒（Ralph H. Fowler,1889-1944；狄拉克的導師）的兒子，彼得·福勒是一位公認的才華橫溢的年輕物理學家。他比羅斯瑪麗大三歲，但比她晚一年入學，他的學業因服兵役而中斷。他們兩人於1949年結婚，同時羅斯瑪麗決定離開學術界。在羅斯瑪麗的大力支持下，她的丈夫彼得·福勒取得了非常傑出的職業生涯，在實驗探測宇宙線方面取得了重要成果。
當被問及為什麽在那之後沒有完成博士學位就離開了學術事業時，羅斯瑪麗的回答很務實。生活在食品和住房短缺的困難時代，三個女兒需要人照顧，需要維持生活，於是她決定讓彼得·福勒繼續從事物理工作，她認為這是最好的安排。羅斯瑪麗的女兒瑪麗·福勒（Mary Fowler）回憶道：「小時候我想成為一名物理學家，父母都是物理學家，物理和研究是廚房餐桌上的談資！羅斯瑪麗影響了我們所有人——我們都熱衷於科學和數學。沒有人認為女孩做不到。」她現在是出色的地球物理學家，曾擔任劍橋大學達爾文學院院長。因為羅斯瑪麗·福勒行動不便，這次的學位授予儀式就是在劍橋達爾文學院舉行的。
隨著時間的推移，在各種出版物中，羅斯瑪麗的貢獻經常被歸功於她的丈夫或鮑威爾。但鮑威爾明確承認羅斯瑪麗在這一發現中的主要貢獻。但這似乎確實是「瑪蒂爾達」效應的一個例子，即女性科學家的貢獻經常被忽視或歸因於男性同行。[瑪蒂爾達效應以美國作家和活動家瑪蒂爾達·喬斯林·蓋奇（Matilda Joslyn Gage）的名字命名。1870年，她寫了一本名為【作為發明家的女人】（ Woman as Inventor ）的小冊子，譴責當時廣為流傳的女性缺乏創造力和科學才能的觀點。]
羅斯瑪麗不是唯一一個貢獻被低估的科學家。鮑威爾因使用感光乳膠技術發現π介子而獲得1950年諾貝爾物理學獎，但該技術的發明者、奧地利物理學家瑪麗Eta·布勞（Marietta Blau，1894-1970）的貢獻卻被忽視了，即使她後來多次被薛丁格提名為諾獎候選人；印度物理學家比巴·喬杜裏（Bibha Choudhuri，1913-1991）在二戰期間發表在【自然】的論文中也出現了π介子的證據，她的工作甚至比布勞的更不為人所知……
如今，距離羅斯瑪麗的發現已經過去了75年，她被授予榮譽博士學位，證明人們將永遠記住她所作出的重要貢獻。
參考文獻
[1] https://www.nature.com/articles/d41586-024-00109-5.
[2] https://www.bristol.ac.uk/news/2024/july/female-physics-pioneer-honoured.html.
[3] https://www.nature.com/articles/163082a0
[4]https://www.nature.com/articles/163047a0
[5] https://www.independent.co.uk/news/obituaries/obituary-professor-peter-fowler-1352277.html
特 別 提 示
