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杨振宁说是吴健雄最早实验证明量子纠缠
版主： Softfist
#3 Re: 杨振宁说是吴健雄最早实验证明量子纠缠
1949年11月，吴健雄和她的研究生欧文·萨克诺夫(Irving Shaknov)在美国哥伦比亚大学普平大楼的地下室内开展了光子测量实验。这个实验需要借助回旋加速器来产生反物质(正电子)。整个实验设备重达数吨，体积庞大，曾有校园传闻：在十多年前，为了建造它，管理人员不得不在建筑外墙上炸出一个大洞，并召集足球队才把这个大铁块搬入室内。
回旋加速器可以将粒子加速到非常高的能量。在地下实验室中，吴健雄和萨克诺夫用加速的氘核轰击铜箔来产生不稳定核⁶⁴Cu(铜-64)。⁶⁴Cu可发生β+衰变产生正电子(电子的反物质)，因此可以作为正电子源。电子和正电子碰撞后会快速湮灭，产生一对运动方向相反的γ(伽马)光子。其实,物理学家约翰·惠勒(John Wheeler)在几年前就曾预测，物质和反物质湮灭时发射的运动方向相反的两个光子，它们的极化方向是相互正交的。而吴健雄和萨克诺夫当时就是在为惠勒提出的“对理论”寻找关键性实验证据。
实际上，他们并非第一个开展此类实验的团队。1948年，最早一个实验团队得到的实验结果误差较大，无法给出明确结论；同年，另一个研究团队得到的实验结果也与惠勒的理论预测不符。而吴健雄一直以来以其巧妙和精确的实验设计闻名于学术界。她此前就已经通过实验验证了恩里科·费米(Enrico Fermi)提出的原子核β衰变理论,当时很多科学家已经为此尝试了数十年。
在实验中，吴健雄和萨克诺夫将⁶⁴Cu核素装入一个8毫米长的微腔内，然后用两套由光电倍增管、蒽晶体闪烁体(利用核辐射使闪烁体原子电离激发后产生的闪烁光子来探测电离辐射，可用于探测β粒子)组成的探测器系统，测量正负电子湮灭后在实验装置两端发射的γ光子。
最终，他们得到的数据量相比此前几个实验团队要多得多，而他们观察到的结果也十分令人信服。实验表明，正反物质湮灭发射的光子对的极化方向始终成一定的角度，似乎它们以某种方式关联在一起，即使相隔较远的距离也是如此。这一实验最终验证了惠勒的“对理论”。1950年元旦，吴健雄和萨克诺夫将他们的实验结果以一页篇幅的快报形式发表在《物理评论》(Physical Review)上。这篇文章后来也被认为是首次观测到量子纠缠现象的实验证据。纠缠是指一对处于纠缠态的粒子无论相距多远，总是彼此关联的。这种现象如此诡异，以至于阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)始终都认为量子纠缠是量子力学不完备性的体现。
2022年诺贝尔物理学奖颁发给了三位物理学家：约翰·克劳泽(John Clauser),阿兰·阿斯佩(AlainAspect)以及安东·蔡林格(Anton Zeilinger),以表彰他们利用纠缠光子实验证伪了贝尔不等式，开创了量子信息学。通过分别在前人工作的基础上改进实验，他们为量子纠缠现象提供了越来越有力的实验证据。在逐一排除了其他所有可能的干扰因素后，他们最终证明量子纠缠是目前唯一可能正确的解释。尽管吴健雄1949年的实验并没有试图去排除其他可能的解释，但历史学家认为，正是在她的实验中，人们第一次观察到了纠缠的光子对。然而，2022年的诺贝尔奖颁奖仪式并没有提及1997年逝世的吴健雄。而这当然也不是她的工作第一次被忽视。
求学之路
1912年，吴健雄出生在中国长江流域的一个小镇上。她的父亲吴仲裔是一位思想开明的知识分子、革命家，提倡男女平等。1912年春天，吴仲裔举办了一个聚会来庆祝爱女的诞生，并宣布要创办当地第一所女子小学。在那个时代，大多数女性的名字都偏向柔美、清雅或芬芳等意象，吴仲裔却为他的女儿取名“健雄”。
吴健雄在新文化运动的时代湍流中长大。1936年，24岁的吴健雄登上了开往美国加利福尼亚州的胡佛总统号轮船，准备前往海外攻读物理学博士学位。这之后，她将在埃米利奥·塞格雷(Emilio Segrè)、欧内斯特·劳伦斯(Ernest Lawrence)和罗伯特·奥本海默(J. RobertOppenheimer)等物理学家的指导下继续学习。
吴健雄很快成为美国加利福尼亚大学伯克利分校(下文简称为伯克利)一位优秀的学生。她博士论文工作的一部分是关于铀核的裂变。由于她研究的内容在当时高度敏感，这项工作直到第二次世界大战结束后才被解密。然而，即便当时她已经有重要的研究成果，毕业后仍旧很难找到工作。两年的时间里，她都在导师的课题组里做博士后研究员。事实上，当时全美国排名前20的研究型大学中，没有一所大学的物理系有女性教职工。
性别偏见并不是吴健雄学术生涯中唯一的障碍。在她来到美国一年后，二战愈演愈烈，中美之间的联络中断，美国西海岸地区针对亚洲移民的种族歧视也随之加剧。1940年，伯克利分校的代理审计长就写信通知吴健雄的导师：“对吴健雄的聘任只能是临时性的。”不到一年之后，他再次写信通知吴健雄的导师：“根据最新规定，吴女士已经不再具有被聘用的资格，应该立即将她解雇。”1942年，奥本海默被任命为曼哈顿计划的负责人，他离开伯克利时带走了他的许多学生。尽管吴健雄的工作已备受赞誉，却没有受到邀请。
后来，吴健雄移居到美国东海岸，在美国史密斯学院获得了教职。第二年，她成为了普林斯顿大学物理系的第一位女性教师。不久后，她加入了曼哈顿计划，在其中扮演了一个低调却至关重要的角色。然而几年来，吴健雄一直受到移民局的反复调查，始终面临着被驱逐出境的风险。事实上，1936年吴健雄离开祖国时，她并没有打算在美国长期待下去。1945年，中美之间终于恢复了通讯。但这时解放战争开始了，她的亲人都提醒她暂时不要回国。
1949年，也就是吴健雄观测到量子纠缠态实验现象的这一年，新中国成立了。但由于当时美国的麦卡锡主义势头正旺，吴健雄回国的希望再次变得渺茫。此后，她再也没能和祖国的家人团聚。
麦卡锡主义是指1950年至1954年间肇因于美国参议员麦卡锡的美国国内反共、极右的典型代表，它恶意诽谤、肆意迫害疑似共产党和民主进步人士，乃至一切有不同政见的人。
被掩埋的工作
量子纠缠虽起源于严谨的数学和物理学，但却极具诗意。哲学家、物理学家阿布纳·希莫尼(AbnerShimony)称之为“超越距离的激情”。纠缠提供了一个近乎疯狂的概念：一旦某些粒子或系统之间存在相互作用，它们就不再是相互独立的。几十年来的实验也表明，无论相互纠缠的两个粒子相距多远，任何一个粒子的变化都会立即影响到对方，即使没有明显的信息交换，纠缠粒子对始终是相互关联的。实验也表明，在纠缠粒子对中的任意一个粒子被观测之前，它们似乎都没有一个确定的状态。而在被观测的一瞬间，这对纠缠的粒子就会彼此同步——即使彼此已经远隔星河。这就是“最遥远的星际之恋”。
想要理解量子纠缠的诡异之处，需要从量子物理学家最初试图测量粒子的位置和动量说起。他们发现，微观粒子的状态并不能被完全确定，有时粒子似乎可以被定位和区分。但在其他情况下，粒子却表现出弥散的波的特性，它的影响可以覆盖更大的范围。在20世纪初，实验物理学家甚至都无法确定这些粒子是否真的能被探知到。
1927年,物理学家维尔纳·海森堡(WernerHeisenberg)将这个现象称为“不确定性原理”。尼尔斯·玻尔(Niels Bohr,海森堡的导师)则提出了“互补原理”来描述量子力学中一些难以理解的实验现象。对玻尔来说，理解这种令人困惑的物理图像的一种方式就是假定某些成对物理量——如粒子的位置和动量——是互补互斥的。在微观物质世界中，这样互补的两个物理量是不能同时被测量确定的。更甚者，这些量可能在被观测之前都不具有确定的意义。量子力学理论还推测，对一个粒子的观测可能会立即影响远处另外一个粒子的状态，这个现象变得愈发奇怪。两个起初都没有确定的可观测特征的粒子，瞬间以某种未知的方式，像存在心灵感应一般关联起来，这似乎很难直观地理解。
1935年,爱因斯坦、鲍里斯·波多尔斯基(BorisPodolsky)和纳森·罗森(Nathan Rosen)试图通过指出量子力学违背直觉，从而找出量子力学理论的漏洞，这就是著名的EPR佯谬(以三位物理学家姓氏首字母命名)，其矛头直指量子纠缠。EPR佯谬指出，量子力学理论如果是完备的，那么它必须要解释一个粒子为何能瞬间影响与它相距很远的纠缠粒子。爱因斯坦将这种(超光速)现象称为“幽灵般的超距作用”。对于爱因斯坦和另两位物理学家而言，这种“瞬时的超距作用”恰恰说明量子力学不完备。
物理学家戴维·玻姆(David Bohm)和爱因斯坦有同样的想法，他也认为量子纠缠的本质不该如此诡异，应当存在对这种现象更为合理的解释，只是我们现在还没找到而已。他认为这个解释可能与所谓的“隐变量”有关，物理学家还需要做更多的研究工作来寻找隐变量。1957年，玻姆和他的研究生亚基尔·阿哈罗诺夫(Yakir Aharonov)提出了结合EPR佯谬和纠缠光子对的研究来寻找隐变量的实验方法。玻姆在文章中写道：“我们应该知道，已经有过这样一个实验，间接地验证了这个理论。”巴西费拉德桑塔纳州立大学物理学史教授印第安纳拉·席尔瓦(Indianara Silva)说,这个实验正是指1949年的吴健雄-萨克诺夫实验。
作为一位历史学家，席尔瓦非常关注女性科学家被忽视的一些故事。她说：“当吴健雄和萨克诺夫在1949年第一次针对惠勒的‘对理论’开展精确的实验研究时，他们成为了首次研究光子纠缠现象的人，并在无形中推动了后续几十年量子物理学基本问题的研究。”席尔瓦找到了其他物理学家和历史学家发表的一系列出版物。根据这些文献资料记载，他们都认为1949年吴健雄的实验观测到了纠缠光子对。席尔瓦追踪的科学家跨越了几十年——从1957年的玻姆到2022年诺贝尔奖获得者之一的蔡林格。后者在1999年写道：“吴健雄和萨克诺夫的实验(1950年)证明了空间分离的粒子之间存在纠缠。”
在伯克利时，玻姆和吴健雄都是奥本海默的研究生，也都在著名的劳伦斯-伯克利国家实验室工作过，只是他比吴健雄低几届。因此，玻姆应该深知吴健雄的学术口碑，有充分的理由相信她的实验结果，他在1957年的文章中引用了吴健雄的实验工作。
席尔瓦一直在研究吴健雄在1949年和1971年的实验对后续量子纠缠实验研究的影响和推动作用，她的研究结果发表在2022年的《牛津量子解释史手册》(The OxfordHandbook of the History of Quantum Interpretations)上。席尔瓦指出，正是1957年玻姆关于隐变量的文章(引用了吴健雄的实验工作)启发了约翰·贝尔(John Bell)，贝尔才提出可以预测和计算粒子之间的符合计数(记录具有时间相关性的两个入射粒子的方法)。1964年，在一本大家不熟知的期刊《物理》(Physics Physique Fizika)中,贝尔讨论了玻姆在1957年对吴健雄实验结果的引用，并提出了他自己的新理论“贝尔定理”(Bell's theorem,也称贝尔不等式)。几年后，年轻的约翰·克劳泽在美国哥伦比亚大学的图书馆读到了贝尔定理。在这个理论的启发下，他设计了一个新的实验，希望能够证明贝尔定理，进而证明隐变量的真实性。
有趣的是，在1950年投稿到《物理评论》上的文章中，吴健雄和萨克诺夫仅探讨了惠勒的“对理论”，丝毫未提及量子纠缠。2012年，物理学家弗朗西斯科·J.杜阿尔特(Francisco J. Duarte)称惠勒的“对理论”为“量子纠缠的本质”。其他物理学家，包括像席尔瓦一样的历史学家，也清晰地看到了这二者之间的联系。那么，为何吴健雄在她1950年的文章中只字未提量子纠缠呢?
当时吴健雄很可能对讨论量子纠缠的实验证据有些迟疑，因为在整个20世纪50年代和60年代，量子物理学的基础研究被严重地污名化。美国麻省理工学院的物理学兼科学史教授戴维·凯瑟(David Kaiser)解释道:“在那个时期，大多数物理学家甚至都不会有用实验去证明或反驳量子物理学理论，或者试图去寻找局域隐变量的想法。由于舆论很可能影响科学家的职业发展，当时研究量子纠缠问题的科研人员经常会掩饰他们的工作。所以，我们不得不怀疑吴健雄当时也是如此。
席尔瓦的研究中提到，在二十多年后，吴健雄进一步完善了她在1949年的实验。这时的吴健雄已经在学术界享有盛誉，并直接地回应了有关量子力学的问题：她更偏向于支持量子纠缠的传统诠释，而不是玻姆的理论。1971年，吴健雄在1949年实验的基础上更新实验设计方案，她写道，实验结果“基本可以否定隐变量的存在”。
1969年，克劳泽提出了一个能检验贝尔理论的实验。在文章中，他非常谨慎地描述了吴健雄-萨克诺夫实验与他的实验的区别。克劳泽原本打算证明隐变量是存在的，但他在1972年发表的实验结果并不支持隐变量的存在，反而比较确定地证明了量子纠缠。按照贝尔的方法，他测量了符合计数，但得到的统计远远超过了隐变量能解释的范围。克劳泽的工作推动了阿斯佩和蔡林格后续的一系列实验工作。这些实验弥补了之前实验中的一些漏洞和局限，更进一步验证了量子纠缠。他们三人也因此获得了2022年的诺贝尔物理学奖。
被忽视的科学家
在玻姆发表提出隐变量理论的论文之前，吴健雄的生活发生了很大的变化。她结了婚，搬到了美国的东海岸，还成为了普林斯顿大学物理系的第一位女性教师。她有了孩子，并加入了美国国籍。后来，她终于拿到了哥伦比亚大学的正式教职，虽然当时还不是正教授。
1956年，吴健雄在哥伦比亚大学的同事李政道找她咨询问题。他和他的合作者杨振宁想知道，宇宙中是否存在一些基本粒子可能会违反宇称守恒定律。对此，吴健雄和李政道讨论了一系列相关的研究，并提出了可能检验这一问题的实验方法。
然而，杨振宁和李政道都是理论物理学家，不可能自己去开展实验。半个世纪后，在西蒙斯基金会(SimonsFoundation)举办的一次座谈会中，杨振宁提到他和李政道当时都不太相信他们提出的假说——弱相互作用中宇称不守恒——能很快被实验证明。在发现宇称不守恒之前的几十年里，物理学家普遍认为对称是自然界的基本规律。而守恒定律表明，同样的一系列事件在空间反演(等效于镜像变换)下发生的概率保持不变。但杨振宁和李政道关于宇称不守恒的假说指出，β衰变中原子核发射β粒子的行为在镜像变换下并不会完全保持不变。显然，这个想法与传统的科学观念或常识相悖。
吴健雄和她的父亲一样敢于挑战。她意识到这个问题的重要性，而且她知道如何验证它。为了验证李政道和杨振宁的假说，她放弃了原本定好的回国行程，马上着手设计和准备实验。
吴健雄设计的实验需要利用绝热去磁方法将放射性核60Co(钴-60)冷却到接近绝对零度，并通过磁场使原子核极化。她需要研究β衰变中是否会以完全对称的模式发射β粒子——也就是像物理学界公认的那样，还是说发射的β粒子在一个方向上会比另一个方向多。在那个年代的众多实验室中，位于华盛顿特区的美国国家标准实验室(简称NBS，现称NIST)可以实现接近绝对零度的低温条件，吴健雄便和美国国家标准实验室的科学家合作开展实验。在做实验的那几个月里，她不得不在华盛顿和纽约(哥伦比亚大学)之间来回奔波。
1957年1月，在与杨振宁和李政道的紧密沟通中，吴健雄和她在NIST的合作者获得了惊人的发现。出乎大家的意料，β衰变的粒子在其中一个方向上发射的更多。这个消息一经宣布，杨振宁、李政道和吴健雄以及其他后续开展验证实验的物理学家开始频繁受邀在全美参加会议，他们的名字和照片在大众媒体上被广泛地报道。那一年，美国物理学会在纽约酒店举办会议时，他们在一个巨大的会议厅里——据《纽约客》(New Yorker)报道称“酒店最大的大厅挤满了人，一些人甚至不得不吊在吊灯上听”——介绍了他们的实验成果。
同年10月，杨振宁和李政道成为了历史上第一次获得诺贝尔奖的两位华人。根据诺贝尔奖评选规则，每个奖项每年可以允许有三名获奖者，然而吴健雄并没有共同获奖。吴健雄实验结果推翻的物理定律被称作对称定律(宇称守恒定律)再恰当不过了，但1957年的诺贝尔物理学奖却并不“对称”。它就像一块棱镜，将个人身份元素像光谱一样区分开来，放大了性别对能否获奖的影响。诺贝尔物理学奖颁布的次年，哥伦比亚大学才将吴健雄提升为正教授。
在那年12月的诺贝尔奖颁奖典礼上，杨振宁指出了吴健雄实验的重要性，他在诺贝尔委员会以及与会嘉宾的面前直言道，宇称不守恒的发现离不开吴健雄团队的工作。李政道后来也极力争取，希望诺贝尔委员会肯定吴健雄的工作。奥本海默也公开表明，吴健雄应该共同分享1957年的诺贝尔物理学奖。塞格雷称，打破宇称守恒定律或许是“二战后物理学领域取得的最大突破”。
很多科学家也对此事表达了看法。1991年，《哥德尔、埃舍尔、巴赫》(Gödel, Escher, Bach)的作者道格拉斯·霍夫施塔特(Douglas Hofstadter)联合了众多科学家一同写信给诺贝尔委员会，建议授予吴健雄诺贝尔物理学奖。2018年，数千名研究人员向欧洲核子研究中心(CERN)递交了一封公开信，他们指出了当今物理学界存在的性别歧视问题，吴健雄的名字也被提及。公开信中提到：“到目前为止，至少有四位(吴健雄的名字出现在第一位)从事核物理学与粒子物理学研究的女性科学家深孚众望，却没有获得诺贝尔奖。而她们的一些男性合作者却获得了诺贝尔奖的荣誉。”
在打破了宇称守恒定律后，吴健雄成为首位获得美国国家科学院颁发的科姆斯托克物理学奖(ComstockPrize)的女性科学家、美国物理学会首位女性会长、首位沃尔夫物理学奖(Wolf Prize)得主，也是首位在世时就有以她命名的小行星的科学家。她的学术成就为女性和有色人种科学家打开了西方国家大学教职的大门。2021年，美国邮政局发行了印有吴健雄肖像的永久性邮票。今天，吴健雄验证宇称不守恒的实验被认为是粒子物理学“标准模型”道路上迈出的第一步，它也为理解宇宙中正反物质不对称分布等问题提供了可能的思路。
然而，吴健雄早期关于量子纠缠的实验工作还是被掩埋在了故纸堆中。有时候，只有当我们去探索科学体系中的一部分时，我们才能了解到那些遥远的故事和羁绊。在2022年的诺贝尔物理学奖中，一系列相互关联却又在时间上相隔甚远的实验被重新发掘。即使吴健雄已经不可能再获奖，她早期的研究也最终会为人所熟知，成为那段“纠缠”历史中的重要一环。这在一定程度上需要归功于席尔瓦等历史学家。这个社会也许更偏好英雄主义的叙事或是孤独天才的传奇，但一旦仔细观察就会发现，非凡的科学成就，就像纠缠本身一样，根本上来源于人与人之间的相互关联。