科技小作品怎么做科普小品文

科普隨筆(如何做科技小作品)創(chuàng)作2021-07-16 10: 00，回歸園區(qū)

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2021年2月11日，美國郵政署?發(fā)行永久郵票，紀念杰出的中國物理學家吳健雄。這一天是國際科學婦女和女孩日，正好是農(nóng)歷新年第一個月的第一天。吳健雄作為女科學家的典范，以特殊的方式獲得了被紀念和表彰的榮譽，這是全世界中國人的驕傲！在這里，我用一篇科普短文來緬懷這位杰出的實驗物理學家。
【科技小作品怎么做科普小品文】

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作者|徐奕迅
本文將簡要回顧1956年弱相互作用中宇稱非守恒現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，并結(jié)合科普和科學史的視角，討論完成重要實驗的吳健雄教授為何不受諾貝爾獎委員會青睞。作為背景知識，我們需要引入物理學中的一個基本概念:反射對稱。
很多人在照鏡子的時候會有一個疑問:為什么鏡子里沒有倒掛，而是左右顛倒？其實所謂的“左右反轉(zhuǎn)”只是一種錯覺，因為左右方向是一個相對的概念，與觀看者的視角有關。如果僅僅從局外人的角度來看，左右不倒。僅從鏡中人的角度，我們就能感覺到鏡子里的虛像從左到右發(fā)生了變化。在三維空之間的直角坐標中，只有圖1中代表前后方向的綠色箭頭是真的反了，面對平面鏡時，鏡子中的前后方向無疑是相反的。

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圖1 。鏡像對稱來源:Youtube科普視頻；加德納(1990)新的雙手宇宙，第一章:鏡子
讓我們回憶一下右手定則，它定義了三維向量代數(shù)中兩個向量的叉積(圖2) 。如果前后有反向，那么為了數(shù)學上的自洽，我們實際上使用的是符合鏡像中左手定則的直角坐標系。因此，鏡像中反轉(zhuǎn)的不是左右方向，而是兩個不同的三維直角坐標系，即左手坐標系和右手坐標系。

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圖2 。向量叉積的右手定則
著名科普作家馬丁·加德納在《新雙手宇宙》一書中也舉了幾個發(fā)人深省的例子。如果我們面對兩個左右成直角折疊的鏡子(或者如圖1右上方所示，一個左右弧形的曲面鏡)，那么即使從外人的角度來看，鏡子內(nèi)外的左右手也不會顛倒。而如果我們面對兩個上下成直角折疊的鏡子(或者如圖1右下方所示，曲面鏡呈現(xiàn)上下弧形)，那么局外人會驚訝地發(fā)現(xiàn)上下顛倒了。這進一步表明，所謂的“左右倒置”和“上下倒置”是人腦對眼睛中圖像的重新解釋。
1956年，物理學家李政道和楊振寧對困擾當時高能粒子物理領域的“奇異粒子”現(xiàn)象產(chǎn)生了興趣。這種現(xiàn)象也被稱為“θ-τ之謎” 。θ介子和τ介子顯然具有相同的質(zhì)量和半衰期，但它們的衰變模式不同:

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李陽等人在研究過程中發(fā)現(xiàn)，確定θ和τ本質(zhì)上是相同還是不同的基本粒子的關鍵在于探索衰變的弱相互作用現(xiàn)象是否也滿足物理學界普遍認為不言而喻的宇稱守恒定律(鏡像對稱) 。
宇稱守恒定律認為在鏡外和鏡內(nèi)觀測到的物理定律應該完全相同，大量實驗也證明了宇稱在引力場、電磁場和強相互作用中是完全守恒的。在深入討論時，李陽突然意識到，直到1956年，似乎還沒有專門設計的實驗來驗證弱相互作用下宇稱是否守恒。為了證實是否可以從現(xiàn)有的β衰變實驗結(jié)果中推斷出可能的宇稱不守恒，他們花了幾周時間做了大量細致的理論計算，發(fā)現(xiàn)這些結(jié)果與宇稱守恒無關。

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圖3 。真向量和偽向量在鏡像反射下有完全不同的行為。來源:黃一斌，聶一友(2007)鏡像對稱在電磁學中的應用，大學物理，10: 24-30 。
圖3的下半部分示出了對于像矢量直徑(線速度、動量、電場強度，...)，平行于鏡面M的分量不變，而垂直于鏡面的分量相反(見圖1中綠色箭頭)；圖3的上部示出了對于像角速度(角動量，磁場強度，...)，垂直于鏡面M的分量不變，而平行于鏡面的分量相反。如果我們想直觀快速地理解鏡像中偽向量的平行分量為什么顛倒，可以回憶一下圖2中兩個三維向量的叉積。兩個真矢量的叉積是偽矢量，量子化的自旋角動量和經(jīng)典力學中的角動量一樣，可以看作矢量直徑和動量的叉積。對于交叉積的鏡像，鏡外右手定則只有成為鏡內(nèi)左手定則，才能在數(shù)學和物理意義上自洽。左手坐標系和右手坐標系之間的差異導致平行于鏡面的偽矢量的分量需要在鏡面中反轉(zhuǎn) 。

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圖5 。吳健雄等人對60Co核β衰變的實驗設計和結(jié)果解釋，以檢驗宇稱是否守恒。

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1957年1月4日，在哥倫比亞大學物理系的午餐聚會上，年輕的并沒有太在意吳教授此前的勸誡，暫時不要對外人透露，并告訴與會人員，實驗已經(jīng)接近成功。聽到這里，利昂·萊德曼教授想，如果宇稱在弱相互作用下真的不守恒，那么借助他正在進行的加速器實驗，再加上一點運氣，他或許可以利用π和介子完成李陽論文中設計的第二個實驗方案。為IBM工作的實驗物理專家理查德·加溫及時提供了巧妙的設計思路。Lederman的團隊只用了4天就完成了實驗，結(jié)果明顯指向了宇稱不守恒，可謂后來者，先來者。
然而，萊德曼在科學研究方面相當有道德，寫完論文后，他等了吳健雄的團隊一周。最后兩篇論文于1957年1月15日被送到《物理評論》雜志上，并在不久后的同一天發(fā)表。在很多人眼里，這顯然是兩個實驗組幾乎勢均力敵的格局。吳教授在后來的新聞發(fā)布會上沒有介紹四位合作者的貢獻，這引起了漫步者老師尼古拉斯·庫爾蒂的不滿。按照諾貝爾獎委員會的工作流程，1957年每個獎項的提名截止日期是1月底。然而，團隊和萊德曼團隊的兩篇論文在2月15日正式發(fā)表，這意味著吳教授不可能獲得1957年物理學獎的提名(圖6) 。

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圖6 。諾貝爾獎提名數(shù)據(jù)庫中吳健雄提名的完整記錄
李陽夫婦第一次獲得提名，并在當年成功獲獎，這在諾貝爾獎歷史上是極其難得的好運。吳教授自1958年以來被提名7次，萊德曼教授自1959年以來被提名。他們兩人都沒能因為證明宇稱不守恒的實驗而獲獎。后來，萊德曼因為發(fā)明了中微子束的實驗方法而獲得了1988年的物理學獎。雖然歷史上沒有“如果”，但我們不禁要推斷，如果李陽需要等一兩年才能獲獎，那么不排除與吳燦教授分享的可能性(萊德曼后來第一次被提名，與宇稱非守恒實驗相關的提名總數(shù)較少) 。現(xiàn)在，回顧諾貝爾委員會的最終決定，與其簡單地給它貼上“性別歧視”的標簽(明顯的反例是居里夫人在1911年第二次獲得委員會青睞時獨自獲得了化學獎)，不如說是前面討論中揭示的歷史偶然性。
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漸江(1997)吳健雄:《物理科學第一夫人》，復旦大學出版社。
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