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投身高能物理界50载,她能否成为第二位获得诺贝尔物理奖的女性?

2018-10-22 02:08:02|浏览量:223

投身高能物理界50载,她能否成为第二位获得诺贝尔物理奖的女性?

本文转自微信公众号:造就(ID:xingshu100),作者:造就Talk的编辑们。


1963年,玛丽亚·格佩特·梅耶(Maria Goeppert Mayer)因提出原子核壳层模型,荣获诺贝尔物理学奖。但时至今日,这个领域都没出过第二位获奖女性。


在这过去的55年中,很多女性都跟这个奖失之交臂,其中之一就是吴秀兰。她是威斯康辛大学麦迪逊分校的恩里科·费米讲座杰出物理学教授,也是大型强子对撞机(LHC)所在的欧洲核子研究中心(CERN)的实验物理学家。这五十年来,吴秀兰的名字被1000多篇高能物理学论文提及;在该领域最重要的实验中,她为其中5、6个做出了自己的贡献。


1974年,两个团队观察到了J/ψ介子,吴秀兰是其中一队不可或缺的成员。这一发现预言了第四种夸克——“粲夸克”——的存在,被称为粒子物理史上的“十一月革命”,促成了粒子物理标准模型的建立。


七十年代末,科学家在高能正负电子对撞实验中观察到三喷注现象,印证了胶子的存在。其中,相当一部分计算与分析工作都由吴秀兰完成。胶子是一种强核力,将质子、中子束缚在一起。它是继光子(传递电磁力)以来,科学家观测到的又一种载力子。


2012年,作为标准模型的最后一块拼图,希格斯玻色子被发现。对此,涉及大型强子对撞机的两项协作功不可没,而其中超环面仪器(ATLAS)协作的领队之一,就是吴秀兰。


现如今,她继续搜寻着新的粒子,以期进一步升华标准模型,推动物理学进步。


吴秀兰出生于日占时期的香港,母亲是一位富商的六姨太。在吴秀兰幼时,她和母亲、弟弟一起被父亲抛弃,生活一贫如洗,她独自睡在一家粮店的里屋。母亲不识字,但敦促女儿把书读好,不要靠男人。


从香港的一所中学毕业后,吴秀兰申请了美国的50所大学,最后拿到瓦萨学院的奖学金,赴美求学。初抵美国时,她的账上只有40美元。


吴秀兰本想成为艺术家,但在居里夫人传记的激励下,她转而攻读了物理学。接连几个暑假,她都在纽约长岛的布鲁克海文国家实验室做实验,后前往哈佛读研。在哈佛,她是同学间唯一的女生。小组讨论被安排在男生宿舍,不允许她进入参与。后来,她便努力为所有人争取物理学领域的立足之地,带出了60多名博士生——其中有不少女性。


不久前,美国科学杂志《Quanta Magazine》采访了吴秀兰。接受采访前不久,她刚受邀在纪念标准模型50周年的研讨会上发言,介绍胶子的发现。


采访内容如下:


投身高能物理界50载,她能否成为第二位获得诺贝尔物理奖的女性?


投身高能物理界50载,她能否成为第二位获得诺贝尔物理奖的女性?

吴秀兰在欧洲核子研究中心的办公室。墙上钉着各种纪念物和照片,包括她和先生、哈佛大学理论物理学教授吴大峻的合影。


您参与了世界上最大规模的实验,带了几十名学生,奔忙于麦迪逊和日内瓦之间。您的日常生活是什么样的?


很累!从原则上讲,我在CERN做的是全职。但我还是常去麦迪逊。所以,我经常两头跑。


您是怎么应付过来的?


我想,关键在于,我全身心投入了这件事。我先生吴大峻也是教授,他是哈佛的理论物理学教授。这会儿,他的工作比我还忙,真的很难想象。他在做一个希格斯玻色子衰变的计算,非常之难。但我鼓励他努力工作,因为对岁数大的人来说,这对精神状态有好处。这也是我努力工作的原因。


在您参与的所有发现中,您有没有最喜爱哪一项?


胶子的发现真的很振奋人心。那时,我还是个工作两三年的副教授。太开心了,因为我还是个小朋友,是那场协作的核心成员里最年轻的一个。


胶子是继光子以来首个被发现的载力子。之后,传递弱核力的W及Z玻色子也被发现,发现者得了诺贝尔奖。为什么胶子的发现没有得诺贝尔奖?


这你得问诺贝尔奖委员会(笑)。不过,可以告诉你我的想法:诺贝尔奖最多同时授予三个人,而这项实验中,还有三个比我资深的物理学家。他们对我很好,但赶紧寻找胶子是我主张的,计算工作也是我完成的。我甚至没有跟理论物理学家讨论。虽然我先生就是搞理论的,但我从来不听他们的。


为什么计算工作是您做的?


要成功,你就得快。但光快还不行,你得争第一。所以,我把计算做完了,这样在德国汉堡,DESY(德国电子同步加速器研究所)的新对撞机一启动,我们就能借助三喷注现象,确定那就是胶子。至于这一现象会不会明确无误,我们并不确定,因为当时,喷注概念才引入没几年,但在我眼里,那是发现胶子的唯一途径。


您还参与发现了希格斯玻色子——即标准模型中,给其他诸多粒子赋予质量的粒子。这跟您参与的其他实验有何不同?


我在希格斯玻色子上面投入的精力和时间,比我对其他工作的投入都要多。我为此工作了30多年,一个实验接着一个实验。我觉得,我为这项发现贡献了很多。但在CERN,ATLAS项目协作的规模太大了,你很难讨论个人贡献。我们的实验有3000人参与建立、投入工作。说不清是谁的功劳。要是在从前,事情会简单一些。


投身高能物理界50载,她能否成为第二位获得诺贝尔物理奖的女性?

2012年的ATLAS,吴秀兰和同事们庆祝希格斯玻色子的发现。



女性在物理学界的境遇有没有得到改善?


对我个人而言,没有。但对年轻一点的女性来说,确实有改善。现在,提供研究经费的机构有一种趋势,就是鼓励年轻女性,我觉得这很不错。但对我这样的人来说,还是挺艰难的。我经历过非常困难的一段时期。现在我立稳了脚跟,人家又说:凭什么要对你另眼相看?


您年轻的时候,跟过哪些导师?


在DESY寻找胶子的时候,比约恩·威克(Bjørn Wiik)对我的帮助很大。


为什么这么说?


初到威斯康辛大学时,我想找一个新项目。我对电子-正电子对撞感兴趣,就去找威斯康辛大学的另一位教授,他在斯坦福的SLAC(斯坦福直线加速器中心)做这类实验。但他不想跟我合作。


于是,我就想加入DESY新建成的电子-正电子对撞机的一个项目,名叫JADE(参与对撞机开发的日本、德国和英国的国名缩写)。我有几个朋友在那儿工作,我就去了德国。一切准备就绪,就等着加入了。结果却得知,没人跟团队里的大教授提起我。我就打电话给他。他说:“我不知道能不能收你。我要去度假了,回来再给你打电话。”我很失落,因为我已经跑到德国的DESY了。


但接着,我就遇到了比约恩·威克,他正带头另一个叫TASSO的实验,他问:“你在这儿干嘛呢?”我说:“我想加入JADE,但他们把我给拒了。”他说:“来,我们谈谈。”第二天,他就录用了我。关键在于,后来JADE的设备坏了,根本没法观察到胶子的三喷注信号,那是我们在TASSO率先观察到的。所以我就明白了,一条路走不通的话,还会有另一条。


投身高能物理界50载,她能否成为第二位获得诺贝尔物理奖的女性?

1978年,德国电子同步加速器研究中心(GES):吴秀兰与比约恩·威克在TASSO实验的电子控制室内。


您成功地扭转了不利局面。


是的。我离开香港去美国求学的时候,也发生过同样的事情。我照着美国领事馆提供的一个院校名录申请了50所大学。每一份申请里面,我都写了“我需要全额奖学金加住宿”,因为我没钱。最后只有四所大学回复,而其中三所拒绝了我。瓦萨是唯一愿意收我的。结果,它也是我申请的学校里最好的。


如果你坚持不懈,总有好事会发生。我的理念是,你得努力,才能学会判断。但也要有好的运气。


接下去这个问题不太公平,因为没有人会问男士(尽管我们也应该问):这个社会要怎样做,才能鼓励更多的女性研究物理学,或考虑将物理学作为职业?


我只能针对我所在的领域,也就是高能物理学来说。我觉得,女性从事这个领域的话,很难。一定程度上是家庭问题。


最近这十年,我跟先生都是只能在暑期聚一聚。我也放弃了生小孩。在考虑要小孩的年纪,我正在申请终身教职和一笔经费。我怕要是怀孕了,我可能两样都拿不到。我倒是不太担心生小孩,我更担心的是,怀着孕走进系里或是去开会。所以,兼顾家庭会很难。


现在可能还是如此。


是的,但对年轻一代来说,情况不太一样了。现在哪个院系要是支持女性,就会显得很有光彩。我并不是说,院系刻意为了光彩而这样做,而是说,他们已经不主动跟女性过不去了。但还是很难,尤其是在高能实验物理学领域。出差太多,家庭或生活很难兼顾。搞理论就会轻松很多。


投身高能物理界50载,她能否成为第二位获得诺贝尔物理奖的女性?


投身高能物理界50载,她能否成为第二位获得诺贝尔物理奖的女性?

2016年出版的《50个改变世界的女科学家》(Women in Science: 50 Fearless Pioneers Who Changed the World)一书。吴秀兰的事迹被收录其中。


您为粒子物理标准模型的建立作出了卓越贡献。其中,您喜欢与不喜欢的地方分别是什么?


标准模型很准,这一点是很神奇的。每次我们去找标准模型没有解释的东西,都会无功而返,因为标准模型说了,这个东西是找不到的。


但那个时候,要发现和确立的东西实在太多了。现在的问题在于,一切都契合得很好,标准模型一再地得到证实。所以我才想念J/ψ介子被发现的年代。它出乎了所有人的预料,没有人预想到它是啥。


但也许,这个惊喜的时代并未完全结束。


我们知道,标准模型并不是对自然的完整描述。它并未解释引力、中微子质量,抑或是暗物质这种构成宇宙质量约七分之六的不可见物质。在标准模型之外,您有什么最看好的概念吗?


现在,我在寻找构成暗物质的粒子。我一头扎在CERN的大型强子对撞机的工作里。但是,对撞机是寻找暗物质的最佳场所吗?也许是,也许不是。暗物质就在那里,就在星系里面,但在地球上,我们看不到它。


但我还是会尝试。只要暗物质跟已知粒子有所互动,我们就可以在LHC的对撞中把它制造出来。但弱相互作用暗物质不会在ATLAS探测器中留下可见的标记,所以,我们只能从实际观测到的结果中,推测出它的存在。目前,我正借助产生单个希格斯玻色子的对撞,从缺失的能量和动量中,寻找暗物质的踪迹。


除此之外,您还从事哪些工作?


希格斯玻色子是一种全新类别的粒子,我们最重要的任务,就是理解它的属性。它比已知任何粒子都更对称;这是我们发现的第一种无任何自旋的粒子。就在最近的希格斯玻色子与顶夸克互动的测量中,我和我的团队都是主要的贡献者。这一观测极具挑战性。我们检查了五年的对撞数据,我的团队大量运用了先进的机器学习技术和统计学。


除了研究希格斯玻色子和搜寻暗物质,我和我的团队还参与ATLAS探测器的硅像素探测器、触发系统(鉴别可能值得探究的对撞)和计算系统的工作。我们正在LHC关停并升级期间对这些系统作出改进。在不远的将来,我们还计划用量子计算来进行数据分析,这是很激动人心的一件事。


投身高能物理界50载,她能否成为第二位获得诺贝尔物理奖的女性?


对于刚刚起步的年轻物理学家,您有何建议?


如今,一些年轻的实验物理学家太过保守了些。换言之,他们很怕做一些不属于主流的事。他们很怕冒险然后没有结果。这不怪他们,文化氛围使然。我对他们的建议是:弄清最重要的实验是什么,然后坚持到底。好的实验总是需要时间的。


但不是所有人都会花这么多时间。


没错。年轻学子并不总是有创新的自由,除非可以短时间内取得成功。他们并不总能耐心探索。他们需要得到协作者的认可,需要别人写推荐信。


你唯一能做的事情就是勤奋。但我也告诉我的学生:“要交流,不要自我封闭。要自己想出好的主意,但也要通过团队合作,想出好的主意。尝试创新。没有什么事是轻松的。但为了发现新东西,这一切都是值得的。”


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