Цзяньсюн У: женщина, которая разрушила закон четности

Зимой 1956 года и в январе 1957 года в криогенной лаборатории Национального бюро стандартов Цзяньсюн У (Chien-Shiung Wu) охладила образец кобальта-60 до температуры, близкой к абсолютному нулю, выстроила ядра в магнитном поле и подсчитала количество вылетающих электронов. Выяснилось, что больше электронов вылетает в направлении, противоположном спину ядра. Эта асимметрия означала то, чего не ожидал ни один физик: элементарная частица и ее зеркальное отражение не всегда идентичны, и Вселенная может отличить левое от правого. Десять месяцев спустя Нобелевская премия по физике досталась двум теоретикам, которые предложили ей провести это исследование. Ее имени среди лауреатов не было.

Школа, которую построил ее отец

У родилась 31 мая 1912 года в Люхэ, уезд Тайцан, провинция Цзянсу. Ее отец, У Чжун-и (Wu Zhong-Yi), был инженером и социальным реформатором; он основал школу для девочек «Мин Дэ» (Ming De School) в то время, когда вопрос об образовании дочерей был предметом ожесточенных споров. Там У получила начальное образование. Ее мать, Фань Фу-хуа (Fan Fu-Hua), была учительницей. В одиннадцать лет она поступила в качестве пансионерки во 2-ю женскую нормальную школу Сучжоу, заняв девятое место из почти десяти тысяч абитуриентов.

В 1930 году она поступила в Национальный центральный университет, где сначала планировала изучать математику, но переключилась на физику, участвуя при этом в студенческих протестах. Она окончила учебу в 1934 году, занималась исследованиями в Институте физики Академии Синика (Academia Sinica), а в августе 1936 года отплыла в Соединенные Штаты вместе со своей подругой, химиком Дун Жо-фэнь (Dong Ruo-Fen).

Беркли и атомная бомба

В Беркли в 1940 году она получила докторскую степень под руководством Эрнеста Лоуренса (Ernest Lawrence), тесно сотрудничая с Эмилио Сегре (Emilio Segrè) в области бета-распада и радиоактивного ксенона. Дж. Роберт Оппенгеймер (J. Robert Oppenheimer) входил в состав ее диссертационной комиссии и был поражен ее знаниями сечений поглощения нейтронов. Луис Альварес (Luis Alvarez) отозвался о ней менее формально, назвав ее «самым талантливым и самым красивым физиком-экспериментатором, которого я когда-либо встречал». 30 мая 1942 года она вышла замуж за физика Люка Цзя-лю Юаня (Luke Chia-Liu Yuan) в доме Роберта Милликена (Robert Millikan), преподавала в Смит-колледже и стала первой женщиной на кафедре физики в Принстоне, где обучала морских офицеров.

В 1944 году она присоединилась к лабораториям по созданию заменителей сплавов в Колумбийском университете и Манхэттенскому проекту, работая над газовой диффузией для обогащения урана, создавая модели разделения для завода K-25 в Оук-Ридже и совершенствуя счетчики Гейгера. Ее самый значимый вклад заключался в знаниях, которыми не обладал никто другой. Когда реактор B в Хэнфорде начал загадочным образом отключаться, Энрико Ферми (Enrico Fermi) обратился именно к ней: ее неопубликованная докторская работа по ксенону-135 идентифицировала его как «нейтронный яд», ответственный за сбои. Считается, что она была единственным представителем Китая в этом проекте. Позже она отстранилась от него из-за того, что называла разрушительными последствиями своей работы.

Колумбия: бета-распад и забытая «первая»

У оставалась в Колумбийском университете до конца своей карьеры. В период с 1949 по 1963 год она проделала кропотливую работу, которая поставила теорию бета-распада Ферми 1934 года на твердую экспериментальную почву, объяснив более ранние разногласия артефактами в виде толстых пленок сульфата меди в аппаратуре других ученых. Ее учебник 1966 года «Бета-распад» (Beta Decay), написанный совместно со Стивеном Мошковски (Steven Moszkowski), стал стандартным справочным пособием.

В ноябре 1949 года в подвале Пьюпин-холла она и ее аспирант Ирвинг Шакнов (Irving Shaknov) совершили нечто, важность чего была осознана лишь спустя десятилетия. Используя кобальт-64 в качестве источника позитронов и два детектора гамма-излучения, построенных на основе фотоэлектронных умножителей и антраценовых сцинтилляторов, они измерили угловую корреляцию пар фотонов, рожденных при аннигиляции электрона и позитрона, зафиксировав один детектор и установив другой под четырьмя азимутальными углами в течение тридцати часов непрерывного подсчета. Измеренная асимметрия 2,04 против теоретических 2,00 стала первым убедительным экспериментальным доказательством квантовой запутанности фотонов, появившимся через пятнадцать лет после статьи Эйнштейна-Подольского-Розена (Einstein-Podolsky-Rosen). Нобелевская премия по физике 2022 года была присуждена за работу, построенную на этом фундаменте.

Премия, которую она не получила

В 1956 году Ли Цзундао (Tsung-Dao Lee) и Ян Чжэньнин (Chen-Ning Yang) предположили, что четность — предполагаемая симметрия между процессом и его зеркальным отражением — может не сохраняться в слабых взаимодействиях. Это была теория, которую никто не знал, как проверить. У разработала тест, отменив запланированную поездку, и провела его с командой из Колумбийского университета и Национального бюро стандартов. Результат был однозначным, и он переписал стандартную картину слабых взаимодействий.

Ли и Ян получили Нобелевскую премию 1957 года. У ее не разделила. Впоследствии ее неоднократно номинировали: по одним данным, не менее дюжины раз, по другим — двадцать три раза в период с 1958 по 1974 год восемнадцатью разными физиками, но она так и не выиграла. Ларс Бринк (Lars Brink), бывший председатель Нобелевского комитета по физике, сказал, что ее эксперимент по четности был нобелевского уровня, и назвал ее работу по четности и запутанности «двумя драгоценностями в шкатулке с жемчугом». Бринк также сообщил, что Ян сам говорил, что У должна была стать солауреатом в 1957 году.

Первая леди физики

Она стала гражданкой США в 1954 году, получила должность профессора в 1952 году, став первой женщиной на своем факультете, профессором в 1958 году и первым обладателем кафедры имени Майкла И. Пьюпина (Michael I. Pupin) в 1973 году. Она подтвердила гипотезу о сохранении векторного тока Фейнмана (Feynman) и Гелл-Манна (Gell-Mann) в 1962-63 годах, искала двойной бета-распад в соляной шахте в двух тысячах футов под озером Эри, проводила тесты неравенств Белла со своими студентами Леонардом Касдеем (Leonard Kasday) и Джоном Уллманом (John Ullman), а также применяла мёссбауэровскую спектроскопию для изучения молекулярной структуры при серповидноклеточной анемии. Ее называли «Первой леди физики», «Китайской Марией Кюри» и «Королевой ядерных исследований»; студенты, находившие ее требовательной, называли ее «Леди-дракон». Она настаивала, чтобы к ней обращались «профессор У», а не «профессор Юань». На симпозиуме в MIT в 1964 году она спросила аудиторию, есть ли у «крошечных атомов и ядер» «предпочтения в обращении — мужском или женском».

Почему Цзяньсюн называют гением

Гениальность У относится к тому типу, который публика подсознательно недооценивает: это гениальность экспериментатора. Теория четности принадлежала Ли и Яну. У же взяла на себя гораздо более сложный вопрос о том, как вообще можно что-то доказать, и ответ потребовал поляризации ядер кобальта при температурах чуть выше абсолютного нуля и удержания всей этой деликатной системы в стабильном состоянии достаточно долго, чтобы подсчитать статистически достоверную асимметрию, — в то время, когда никто не делал ничего подобного. Это не работа техника. Это дизайн, и дизайн такого уровня встречается так редко, что ее коллега Хервиг Шоппер (Herwig Schopper) приводил профессиональное правило: «Если эксперимент сделан У, он обязательно правильный». Как отмечалось в журнале Physics Today, она была «известна своими гениальными и точными разработками» и стояла «в ряду самых выдающихся экспериментаторов своего времени».

Честный контраргумент заключается в том, что концептуальный прорыв 1956 года был не ее, и что карьера блестящих измерений, сколь бы решающими они ни были, стоит в истории физики особняком от карьеры теоретика. У не предложила нарушение четности; она лишь похоронила альтернативу. Но это же обвинение принизило бы Майкельсона (Michelson) и Морли (Morley) и игнорирует 1949 год, когда интеллектуальная инициатива полностью принадлежала ей и опережала возможности области на пятнадцать лет. Самое справедливое утверждение состоит в том, что У была гением аппаратуры и решающего эксперимента, и что неспособность Нобелевского комитета признать это сейчас широко считается одной из его самых серьезных ошибок.

Наследие

В 1964 году У получила премию Комстока (Comstock Prize), став первой женщиной-лауреатом, в 1975 году — Национальную научную медаль США, а в 1978 году — первую премию Вольфа (Wolf Prize) по физике. Она была первой женщиной, возглавившей Американское физическое общество. В ее честь назван астероид 2752, а также улица в ЦЕРНе (CERN) — честь, которой до нее удостаивалась лишь одна женщина, Мария Кюри (Marie Curie). Она умерла 16 февраля 1997 года в Нью-Йорке после инсульта в возрасте восьмидесяти четырех лет, а ее прах был захоронен во дворе школы «Мин Дэ» в Люхэ — школы, которую построил ее отец, чтобы девочки могли учиться.