探訪三次震撼粒子物理學(xué)的女人

編譯 蔡立英

吳秀蘭在CERN。這個鄰近瑞士日內(nèi)瓦的實(shí)驗(yàn)室擁有大型強(qiáng)子對撞機(jī)。這幅壁畫描繪了她和她的合作者用來發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子的探測器

1963年，瑪麗亞·梅耶（Maria Goeppert Mayer）因描述了原子核的殼層結(jié)構(gòu)，榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。從那以后，再沒有女科學(xué)家獲此殊榮。

倘若換一個不同的世界，那么這55年來，本來可能有眾多女科學(xué)家獲得諾貝爾物理學(xué)獎，吳秀蘭便是其中之一。吳秀蘭現(xiàn)為美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的恩里科·費(fèi)米杰出物理學(xué)教授，也是歐洲核子研究組織（CERN）的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，CERN這個鄰近瑞士日內(nèi)瓦的實(shí)驗(yàn)室擁有大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）。吳秀蘭的名字出現(xiàn)在超過1 000篇高能物理學(xué)論文中，她在該領(lǐng)域近50年來最重要的6項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中均做出了卓越貢獻(xiàn)。她甚至實(shí)現(xiàn)了自己年輕時立下的不太可能實(shí)現(xiàn)的鴻鵠之志：一生中至少取得三項(xiàng)重大的物理學(xué)發(fā)現(xiàn)。

有兩個研究組分別觀測到J/Ψ粒子，預(yù)示了第四種夸克的存在，如今被命名為“粲夸克”，吳秀蘭是其中一個研究組的主要成員。1974年的這一發(fā)現(xiàn)史稱“十一月革命”，這一巨大成功促進(jìn)了粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的建立。20世紀(jì)70年代末，吳秀蘭做了大量數(shù)學(xué)運(yùn)算和分析工作，識別出粒子對撞時產(chǎn)生的三噴注現(xiàn)象，預(yù)示了膠子的存在——膠子是傳遞質(zhì)子和中子之間強(qiáng)相互作用的粒子。這是繼光子被發(fā)現(xiàn)是電磁輻射的載體之后，科學(xué)家首次觀測到能夠傳遞一種相互作用力的粒子。吳秀蘭后來成為超環(huán)面儀器（ATLAS）實(shí)驗(yàn)的團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)者之一，ATLAS實(shí)驗(yàn)組是2012年在LHC上發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子的兩個國際合作組之一，希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)填補(bǔ)了標(biāo)準(zhǔn)模型的最后一塊拼圖。她仍在繼續(xù)尋找新的粒子，希望可以超越標(biāo)準(zhǔn)模型，把物理學(xué)不斷推向前進(jìn)。

吳秀蘭出生于二戰(zhàn)時被日軍占領(lǐng)的香港，她的母親是香港一位富商的六姨太，在吳秀蘭童年時，她的父親就拋棄了她和母親及弟弟。她在赤貧中長大，獨(dú)自睡在一家米店后面的空隙里。她的母親未受過教育，不識字，卻鞭策女兒接受教育，將來在經(jīng)濟(jì)上不依賴于反復(fù)無常的男人。

吳秀蘭從香港的一所公立中學(xué)畢業(yè)后，申請了50所美國高校，最終拿到了前往瓦薩學(xué)院求學(xué)的獎學(xué)金，她抵達(dá)美國時身上只有40美元。

盡管她最初打算成為一名藝術(shù)家，不過在閱讀了居里夫人的傳記后，受到激勵而改學(xué)物理。連續(xù)幾個暑假，她都到長島的布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室（BNL）做實(shí)驗(yàn)，后來又進(jìn)入哈佛大學(xué)讀研究生。她是班上唯一的女生，被禁止進(jìn)入男生宿舍參加在那里組織的學(xué)習(xí)小組。從那以后，她一直致力于為每個學(xué)物理的人創(chuàng)造一方天地，指導(dǎo)了60多名男女博士生。

吳秀蘭位于CERN的辦公室以紀(jì)念品和照片作裝飾，其中包括她和丈夫——哈佛大學(xué)理論物理學(xué)家吳大峻的一張合照

2018年6月初，在陽光燦爛的克利夫蘭，吳秀蘭坐在灰色沙發(fā)上，接受了《量子雜志》（Quanta Magazine）的采訪。她那時剛剛受邀在一個研討會上作了一個關(guān)于膠子發(fā)現(xiàn)的特邀報(bào)告，以紀(jì)念標(biāo)準(zhǔn)模型建立50周年。

如果你想成功，就必須捷足先登

您從事著世界上最大規(guī)模的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)幾十名學(xué)生，經(jīng)常往返于麥迪遜和日內(nèi)瓦。對您來說，日常的一天是如何度過的？

非常累！原則上來講，我在CERN從事全職工作，但是我相當(dāng)頻繁地去麥迪遜，所以我確實(shí)經(jīng)常四處奔波。

您是如何做到這一切的？

我認(rèn)為，關(guān)鍵是我全身心投入。我的丈夫吳大峻是哈佛大學(xué)的理論物理學(xué)教授，現(xiàn)在，他甚至比我更努力工作，令人難以想象。他正在計(jì)算希格斯玻色子衰變，難度非常大。但是，我鼓勵他努力工作，因?yàn)檫@對年老時的精神狀態(tài)有好處。這也是我如此努力工作的原因。

在您參與的所有發(fā)現(xiàn)中，有沒有哪項(xiàng)發(fā)現(xiàn)是您最喜歡的？

膠子的發(fā)現(xiàn)是一段奇妙的時光。當(dāng)時，我只是個工作剛剛兩三年的助理教授。發(fā)現(xiàn)膠子時，我特別高興，因?yàn)槲沂呛献鹘M的所有核心成員中最年輕的。

膠子是繼光子之后科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的首個傳遞力的粒子。幾年后，傳遞弱相互作用的W和Z玻色子被發(fā)現(xiàn)了，其發(fā)現(xiàn)者獲得了諾貝爾獎。為什么膠子的發(fā)現(xiàn)沒被授予諾貝爾獎？

呃……這個問題，恐怕你得去問諾貝爾獎委員會了（笑）。不過，我可以和你說說我的想法。一項(xiàng)諾貝爾獎至多只能頒發(fā)給三個人，而在發(fā)現(xiàn)膠子的實(shí)驗(yàn)中，另外三位與我一起參與實(shí)驗(yàn)的物理學(xué)家都比我更加資深，他們待我很好。不過，是我推動了立刻搜尋膠子的主意，也是我完成了計(jì)算工作。在這個過程中，我甚至從未和理論學(xué)家交談過，盡管我嫁給了一位理論物理學(xué)家，我從未真正去關(guān)注理論學(xué)家們讓我做的事情。

您是如何成功地成為做計(jì)算工作的那個人的？

如果你想成功，就必須捷足先登。之所以我做計(jì)算，是為了確保一旦漢堡的德國電子同步加速器研究所（DESY）里新的對撞機(jī)啟動，我們就能看到膠子，識別粒子的三噴注現(xiàn)象的信號。那時候，我們并不確定顯示膠子的信號會不會清晰，因?yàn)閲娮⑦@個概念只在此前幾年才剛剛提出，不過觀測噴注現(xiàn)象似乎是當(dāng)時發(fā)現(xiàn)膠子的唯一途徑。

您還參與了希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)，這是標(biāo)準(zhǔn)模型中賦予其他很多粒子質(zhì)量的一種粒子。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)與您參與的其他實(shí)驗(yàn)有何不同？

在發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子的實(shí)驗(yàn)上，我所做的工作和花費(fèi)的時間比我參與的其他任何實(shí)驗(yàn)都更多。我耗費(fèi)了30多年，做了一個又一個實(shí)驗(yàn)。我認(rèn)為我對希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)做出了很大貢獻(xiàn)。但是，CERN的ATLAS合作組規(guī)模是如此龐大，甚至無法談?wù)搨€人貢獻(xiàn)。有3 000人參與了儀器的建造和實(shí)驗(yàn)工作。誰能自詡功勞呢？在過去，爭名奪利的事情比較少。

塞翁失馬，焉知非福

比起您剛投身科研的時候，現(xiàn)在女性投身物理學(xué)研究是不是更容易？

我一開始投身物理學(xué)研究時并不容易，但是如今年輕一代的女性是更容易了。現(xiàn)在，資助機(jī)構(gòu)和學(xué)會有一種鼓勵年輕女性投身科研的趨勢，我認(rèn)為非常好。但是，對于我這樣的人就比較艱難。我經(jīng)歷過非常艱辛的時光，如今我得到了認(rèn)可，其他人又會說：“為什么我們應(yīng)該對你區(qū)別對待呢？”

當(dāng)您還是一名年輕科研人員時，哪些人當(dāng)過您的導(dǎo)師？

何出此言？

當(dāng)我在威斯康星大學(xué)開始做研究時，我正在尋找一個新項(xiàng)目。我對正負(fù)電子對撞很感興趣，這類對撞能夠最明確指示膠子的存在。所以，我去找威斯康星大學(xué)的另一位教授交談，他在斯坦福直線加速器中心（SLAC）做一些此類實(shí)驗(yàn)，但是他沒有興趣和我合作。

所以，我又試圖加入DESY新建的正負(fù)電子對撞機(jī)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。我想加入JADE（該名稱是建造探測器的日本、德國和英國三國國名的縮寫）實(shí)驗(yàn)。我有一些朋友在那里工作，所以我赴德，并且做好了加入他們的一切準(zhǔn)備。但是，我到了那里，才得知并沒有人向組里的大教授提起過我，所以我打電話給那位大教授。他說：“我不確定我能否接收你，而且我馬上要休假一個月。等我休假回來，再打電話給你。”聽到此言，我真的非常傷心，因?yàn)槲乙呀?jīng)身在德國，在DESY了。

1978年，德國漢堡，吳秀蘭和比約恩·維克在DESY的TASSO實(shí)驗(yàn)的電子控制室里

但是，后來，我遇到了比約恩·維克，他領(lǐng)導(dǎo)另一個不同的TASSO實(shí)驗(yàn)。他問我：“你在這里做什么？”我答道：“我想加入JADE實(shí)驗(yàn)，但是他們拒絕了我?！彼f：“那你來我這兒談?wù)劙?。?翌日，他就接收我進(jìn)入他們的實(shí)驗(yàn)組。仿佛冥冥之中自有天意，后來JADE實(shí)驗(yàn)組因?qū)嶒?yàn)室出了故障而沒能觀測到膠子的三噴注信號，而我們在TASSO中率先觀測到了。所以，從這個經(jīng)歷中，我領(lǐng)悟到“塞翁失馬，焉知非福”的道理。

您無疑把逆境轉(zhuǎn)化成了順境。

是的。同樣的情形還發(fā)生在我離開香港遠(yuǎn)渡重洋赴美上大學(xué)的時候。我在美國領(lǐng)事館瀏覽了一份美國大學(xué)名錄后，申請了50所美國大學(xué)。在每一份申請中，我都寫上“我需要全額獎學(xué)金和免費(fèi)食宿”，因?yàn)槲疑頍o分文。4所大學(xué)回復(fù)了，其中3所大學(xué)都拒絕了我的申請，瓦薩學(xué)院是唯一一所接收我的美國大學(xué)。結(jié)果證明，瓦薩是我申請的所有美國大學(xué)中最好的一所。如果你堅(jiān)持不懈，好運(yùn)一定會降臨到你身上。我的人生哲學(xué)是：你必須努力工作，善于明斷，但是你也需要運(yùn)氣。

我知道這是一個不公平的問題，因?yàn)闆]有人問過男性，盡管我們也應(yīng)該問問男性這個問題，但是我還是想問您，社會應(yīng)該如何激勵女性學(xué)習(xí)物理或是將物理作為一種事業(yè)？

我只能說說我自己所處的實(shí)驗(yàn)高能物理學(xué)領(lǐng)域的情況。我覺得我的研究領(lǐng)域?qū)ε苑浅？量獭Ｎ矣X得部分是因?yàn)榧彝サ膯栴}。我和我的丈夫曾經(jīng)有10年時間沒有生活在一起，除了夏天的時候。我也放棄了生孩子。當(dāng)我考慮生孩子的時候，正值我在申請終身職位和一筆研究經(jīng)費(fèi)。我害怕如果我懷孕了，終身職位和研究經(jīng)費(fèi)都會化為泡影。比起真的生孩子這件事本身，我更害怕的是挺著大肚子走進(jìn)系里或是參加會議。所以，這個領(lǐng)域?qū)τ屑彝サ呐詠碚f非常艱辛。

我覺得現(xiàn)在可能還是如此。

是的，但是對年輕一代來說，情況已有所不同?，F(xiàn)在，如果一個院系支持女性，會給人留下好印象。我并不是說，院系故意這樣做，只是為了塑造更好的形象，不過他們不再有意排擠女性了。不過，女性的科研之路仍然艱難。尤其在實(shí)驗(yàn)高能物理領(lǐng)域，我覺得這個領(lǐng)域的出差實(shí)在太頻繁了，讓人很難兼顧家庭或享受生活。從事理論研究的人在這方面要容易很多。

展望未來：超越標(biāo)準(zhǔn)模型

您對粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的建立貢獻(xiàn)卓著，您對標(biāo)準(zhǔn)模型有什么喜歡與不喜歡的地方？

標(biāo)準(zhǔn)模型如此有效，真是令人驚詫。我喜歡每次當(dāng)我們試圖尋找標(biāo)準(zhǔn)模型無法解釋的東西時，我們總是找不到，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)模型告訴我們不可能找到。

但是回望我上下求索的歲月，往昔有那么多東西我們尚未發(fā)現(xiàn)和建立。而現(xiàn)在的問題是，一切都如此優(yōu)美地自洽，標(biāo)準(zhǔn)模型得到了很好的驗(yàn)證。這就是為什么我懷念發(fā)現(xiàn)J/Ψ粒子的那段時光。當(dāng)時，沒有人預(yù)測到J/Ψ粒子，沒有人對J/Ψ粒子是什么真的有頭緒。

不過，那些驚喜的日子也許并未結(jié)束。

我們知道標(biāo)準(zhǔn)模型是對自然界并不完整的描述，它不能解釋引力、中微子的質(zhì)量，或者暗物質(zhì)——這種不可見的物質(zhì)似乎構(gòu)成了6/7的宇宙質(zhì)量。您是否有一個偏愛的理論，來解釋超越標(biāo)準(zhǔn)模型的現(xiàn)象？

目前，我正在尋找構(gòu)成暗物質(zhì)的粒子。唯一的問題是，我專心致志于在CERN的LHC上工作，但是對撞機(jī)未必是尋找暗物質(zhì)的最佳實(shí)驗(yàn)場所。暗物質(zhì)遠(yuǎn)在星系之中，而我們在地球上看不到。不過，我仍然會去嘗試。如果暗物質(zhì)與已知的粒子發(fā)生任何相互作用，它就可能通過LHC的對撞產(chǎn)生。但是，暗物質(zhì)的相互作用很弱，可能不會在我們ATLAS的探測器上留下可見的信號，所以我們不得不從實(shí)際觀測到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中憑直覺判斷它是否存在?，F(xiàn)在，我正專注于尋找在產(chǎn)生單個希格斯玻色子的對撞中消失的能量和動量，以此作為判斷暗物質(zhì)存在的線索。

您還在做其他什么研究？

我們最重要的任務(wù)是理解希格斯玻色子的屬性，這是一種全新的粒子。希格斯玻色子比我們已知的其他任何粒子都更具對稱性，它是我們發(fā)現(xiàn)的第一種自旋為零的粒子。在近期對希格斯玻色子與頂夸克相互作用的測量中，我和我的研究組做出了主要貢獻(xiàn)。這項(xiàng)觀測極具挑戰(zhàn)性。我們檢查了5年的對撞數(shù)據(jù)，而且我的團(tuán)隊(duì)集中深入地研究了先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)和統(tǒng)計(jì)學(xué)。

除了研究希格斯玻色子和尋找暗物質(zhì)，我和我的研究組還為硅像素探測器、觸發(fā)系統(tǒng)（可識別具有潛在研究價值的對撞）和ATLAS探測器的計(jì)算系統(tǒng)做出了貢獻(xiàn)。現(xiàn)在，我們正趁著LHC關(guān)閉和升級期間，對這些設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。我們也對不久的將來非常感興趣，因?yàn)槲覀冇?jì)劃開始運(yùn)用量子計(jì)算來做我們的數(shù)據(jù)分析。

您對剛剛開始職業(yè)生涯的年輕物理學(xué)家有什么忠告？

現(xiàn)在有些年輕的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家太保守了。換言之，他們害怕做非主流的研究。他們害怕做有風(fēng)險(xiǎn)、得不到成果的研究。我不是在責(zé)備他們，這是文化使然。我給他們的忠告是：判斷出最重要的實(shí)驗(yàn)是什么，然后持之以恒投入研究。好的實(shí)驗(yàn)總是花時間的。

但是，并非每個人都能耗得起時間。

是的。年輕的學(xué)生并不一定有自由去大膽創(chuàng)新，除非他們能在很短的時間內(nèi)出成績。他們也并不總是能靜下心來，耐心探索。他們需要得到合作者的認(rèn)可，需要有人為他們寫推薦信。

你能做的唯一的事情就是：努力。但是我也告訴我的學(xué)生：“要多與人交流，不要把自己封閉起來，既要學(xué)會獨(dú)立提出好的想法，也要學(xué)會團(tuán)隊(duì)合作。努力去創(chuàng)新。沒有任何事情是輕而易舉的。但是，只要能發(fā)現(xiàn)新東西，所有這一切都是值得的?！?/p>

資料來源 Quanta Magazine