1963年, 玛丽亚·格佩特·梅耶 (Maria Goeppert Mayer) 因描述原子核结构的数学模型而获得了诺贝尔物理学奖. 从那以后, 再没有女性赢得同样的殊荣.
这55年间, 有可能获得诺贝尔物理学奖的众多女性之一是吴秀兰. 她是威斯康星大学麦迪逊分校的恩里科·费米奖特聘物理学教授, 也是欧洲核子研究中心的成员. 该中心位于日内瓦附近, 配备了大型强子对撞机. 她的名字出现在1000多篇高能物理学论文中, 在过去50年, 她为物理领域中最重要的数个实验做出了重要贡献. 她甚至达成了作为年轻研究员时为自己设定的艰巨目标: 至少实现三项重大发现.
吴秀兰是研究J/psi粒子 (J/psi particle) 的两个团队之一的重要成员. 这种粒子宣告着第四种夸克——粲夸克 (charm) 的存在. 在1974年, 这两个研究小组几乎同时发现了粲夸克, 这掀起了 '十一月革命' , 推动了粒子物理学在接下来几年发生了巨大的改变, 促进了粒子物理标准模型的建立. 在20世纪70年代后期, 吴秀兰展开了大量的数学运算和研究分析, 识别出粒子碰撞时飞离的三道能量 '束流' . 这些碰撞证明了胶子粒子的存在, 而胶子能够传递将质子和中子结合在一起的强大作用力. 自科学家们发现光子是电磁辐射的载体后, 吴秀兰的这项工作首次发现了能够传递作用力的粒子. 她后来成为ATLAS实验的团队负责人之一. 该实验是科学家们在大型强子对撞机上的两次合作之一, 并在2012年发现希格斯玻色子, 填补了标准模型的最后一块空缺. 后来, 她继续致力于寻找超越标准模型并推动物理学发展的新粒子.
她三次颠覆粒子物理学 却为何未获诺贝尔奖?
第二次世界大战期间, 吴秀兰出生在被日军占领的香港. 她的母亲是一名富有商人的第六个妾, 在她小时候, 她和母亲, 弟弟遭到抛弃. 她在贫困中长大, 独自睡在一家米店后面的小空间里. 她的母亲虽是文盲, 但她敦促女儿继续接受教育, 并教导她, 男性变化无常, 女性需独立于男性.
她毕业于香港的一所公立学校, 并向美国的50所大学提出了申请, 最终获得了前往瓦萨学院的奖学金.
一开始, 她想成为一名艺术家, 但后来她阅读了居里夫人的传记, 这促使她决定学习物理. 她连续数年暑假在纽约长岛的布鲁克海文国家实验室做实验, 并在哈佛大学读研究生. 同事中她是唯一的女性, 还被禁止进入男性宿舍参加在那里聚集的学习小组. 从那以后, 她一直致力于提升物理学领域对人才的包容性, 并在60多名男女学生攻读博士学位期间为他们提供指导.
6月初, 在阳光明媚的克利夫兰, 吴秀兰接受了《量子杂志》 (Quanta Magazine) 的采访. 她刚刚在一次研讨会上发表了关于发现胶子的特邀演讲, 以纪念标准模型诞生50周年.
以下为经减缩的访谈记录.
您开展了世界上数场规模最大的实验, 指导了几十名学生, 经常往返于麦迪逊和日内瓦. 对您而言, 正常的一天是怎样的?
很累! 我在欧洲核子研究中心 (CERN) 从事全职工作, 但我经常去麦迪逊. 所以我经常往返于这两个地方.
您是如何掌控这一切?
我认为, 关键在于我的完全投入. 我的丈夫吴大峻也是一名教授, 他在哈佛大学的理论物理系任职. 现在, 他比我还努力工作, 这很难想象. 他正致力于希格斯玻色子衰变的计算问题, 难度很大. 但我鼓励他努力工作, 因为这对年老时的精神状态有好处. 这也是我工作如此努力的原因.
在您参与的所有发现中, 您是否最喜欢其中一项发现?
发现胶子的那段时间很美妙, 我只是一名二年级还是三年级的助理教授. 当时我很开心. 因为我像个婴儿一样, 在所有关键合作成员中我最年轻. 胶子是自光子以来发现的首个传递力的粒子. 几年后发现了传递弱力的W和Z玻色子的研究人员获得了诺贝尔奖. 为什么您发现了胶子却没有获奖?
好吧, 这你得问问诺贝尔委员会了. (笑) 诺贝尔奖每个单项的获奖人数不能超过三人. 参与实验的还有其他三位物理学家, 他们都比我更资深. 他们对我很好. 但我推动了立即寻找胶子的这一想法, 计算工作也是我做的. 我甚至没有和理论家们交谈过. 虽然我嫁给了理论家, 但我从未真正关注理论家告诉我的事情.
你最终怎么完成那些计算?
如果想成功, 你必须要快. 但你也必须率先做出成果. 所以我做了一些计算, 以确保德国电子同步加速器研究所 (DESY) 的新对撞机在德国汉堡开启后, 我们可以观测到胶子并识别出三束粒子射流的信号. 在那些日子里, 我们不太确定胶子的信号是否清晰, 因为射流的概念仅在几年前出现, 但这似乎是发现胶子的唯一方法.
您还参与了发现希格斯玻色子的研究, 作为标准模型中的一种粒子, 它可以赋予许多其他粒子质量. 这个实验与您参与的其他实验有何不同?
我在发现希格斯玻色子所花费的精力和时间远多于任何其他研究. 我为此工作了30多年, 做了一个又一个实验. 我想我为这一发现做出了很多贡献. 但是欧洲核子研究中心ATLAS实验的合作规模如此之大, 你不应谈论个人贡献. 有3000人创建并参与了我们的实验. 谁能说自己有什么功劳? 在过去, 大家的想法更简单.
比起你那个时代, 现在成为一名女性物理研究者是否更容易?
我一开始工作时并不顺利. 但现在, 年轻女性从事这方面的工作会更容易. 资助机构和研究院之间有一种鼓励年轻女性的趋势, 我认为这很好. 但我经历过一段非常艰难的时期. 现在我得到认可了, 别人才说: 我们为什么要以不同的方式对待你?
当您还是年轻研究员时, 哪些人是您的导师?
当我在德国电子同步加速器研究所寻找胶子时, 布约恩·维克 (Bjorn Wiik) 真的帮了我大忙.
他怎么帮你?
当我开始在威斯康星大学工作时, 我正寻找一个新项目. 我对研究正负电子对撞感兴趣, 这类对撞能够提供最明显的胶子痕迹. 所以我去找威斯康星州的另一名教授, 他曾在斯坦福直线加速器中心 (SLAC) 做过这些实验. 但他对与我合作并不感兴趣.
所以我试着进入德国电子同步加速器研究所的正负电子对撞机项目. 我想参加JADE实验 (JADE四个字母分别取自开发对撞机的国家: 日本, 美国, 德国和英格兰) . 我有一些朋友在那里工作, 所以我去了德国, 我很乐意加入他们. 但后来我听说没有人向团队中的一名资深教授提过我, 所以我打电话给他. 他说, '我不确定是否接收你, 而我要去度假一个月. 等我回来我会打电话给你. ' 当时我真的很伤心, 因为我已经在德国, 已经在他们的研究所里了.
然后我遇到了布约恩·维克, 他领导着一个名为TASSO的不同实验, 他说: '你在这做什么? ' 我说, '我想加入JADE实验, 但他们拒绝了我. ' 他说, '来吧, 我们谈一谈. ' '他第二天就接纳了我. 事实是, 我们TASSO团队率先观察到胶子的三道能量喷流, 而JADE团队因实验室出了问题而未能观察到这种现象. 所以我意识到, 如果一扇门关闭了, 生活会为你开启一扇窗.
您把消极的一面转变成了积极的一面.
是的. 当我在向美国申请大学时, 也发生了同样的事情. 在浏览美国领事馆的目录后, 我向50所大学提出了申请, 并在每份申请中写道, '我需要全额奖学金和食宿, ' 因为我没有钱. 四所大学回复了我. 其中三所拒绝了我. 瓦萨学院是唯一接受我的美国大学. 事实证明, 在申请的所有学院中, 它是最好的大学.
如果坚持下去, 一定会有好事发生. 我的理念是你必须努力工作并拥有良好的判断力. 但运气也必不可少.
我知道这是一个不公平的问题, 因为没有人这样问过男人. 我想问的是, 社会如何激励更多女性学习物理或视之为职业?
好吧, 我只能谈谈我的领域——实验高能物理学. 我认为我的领域对女性来说非常困难. 部分原因是家庭的问题.
除了夏天, 我和我的丈夫有10年没有居住在一起. 我放弃了生孩子. 当我考虑生孩子的时候, 我正被提名授予终身职位和补助金. 如果怀孕了, 我担心自己会失去这些. 我不太担心怀孕本身, 更多的是担心在怀孕期间走进部门或参加会议. 所以这对有家庭的女性们来说非常困难.
我认为, 现在仍是如此.
是的, 但是对于年轻一代而言, 情况变得不同. 如今, 如果支持女性, 这个部门会让人觉得不错. 我并不是说各个部门只是为了营造更好的形象而故意这样做, 但他们不再激烈反对女性了. 但是, 女性依旧面临困难, 特别是实验高能物理学. 我认为, 需要经常出行让拥有家庭或享受生活变得困难. 理论说说要容易得多, 但实际生活并非如此.
您已经做了如此多的工作来帮助建立粒子物理学的标准模型. 您对它有何看法? 令人惊讶的是标准模型很有效. 我喜欢这样, 每当我们尝试在标准模型中找出我们未考虑的东西, 我们都找不到它, 因为标准模型很全面, 我们找不出来未涵盖的东西.
但是在过去, 那时我们还有许多未发现和确立的东西. 现在的问题是, 所有东西都非常美妙地融合在一起, 标准模型得到了很有效的验证. 这就是我想念发现J/Ψ粒子的那段时间的原因. 没人想到接下来会发现什么, 没有人真正拥有有关下一个发现的线索.
但也许那些惊喜的日子还没有结束.
我们知道标准模型是对自然的不完整描述. 它没有考虑到引力和中微子的质量或暗物质 (构成宇宙质量的七分之六的无形物质) . 除了标准模型, 您有没有一个最感兴趣的研究对象?
目前, 我正在寻找构成暗物质的粒子. 唯一的问题是, 我致力于欧洲核子研究中心大型强子对撞机的工作. 但是对撞机可能是, 也可能不是寻找暗物质的最佳仪器. 暗物质存在于星系中, 但我们在地球上观测不到它.
不过, 我要试试. 如果暗物质与已知粒子之间存在相互作用, 可以通过大型强子对撞机中的碰撞产生暗物质. 但弱相互作用的暗物质不会在我们的ATLAS探测器中留下明显的信号, 所以我们必须从实际观测到的现象中凭直觉判断它是否存在. 现在, 我正在集中精力寻找证明暗物质存在的线索, 这种暗物质会在碰撞中失去能量和动量, 从而产生希格斯玻色子.
您还在研究什么?
我们最重要的任务是了解希格斯玻色子的性质, 这是一种全新的粒子. 希格斯玻色子比我们所知道的任何其他粒子都更对称, 它是我们在没有旋转设备的情况下发现的第一种粒子. 我和我的团队是最近测量希格斯玻色子与顶夸克的相互作用的主要贡献者. 这种观测极具挑战性. 我们细查了五年的碰撞数据, 而我的团队密切关注着先进的机器学习技术和统计数据.
除了研究希格斯玻色子和寻找暗物质之外, 我和我的团队还为硅像素探测器, 触发系统 (可识别具有潜在研究价值的碰撞) 以及ATLAS探测器中的计算系统做出了贡献. 目前, 我们在大型强子对撞机关闭和升级期间对这些设备或系统进行改进. 我们也对不久的将来感到非常兴奋, 因为我们计划开始使用量子计算进行数据分析.
你对刚开始职业生涯的年轻物理学家有什么建议吗?
今天一些年轻的实验者有点过于保守. 换句话说, 他们害怕做一些不属于主流的事情. 他们担心做一些存在风险但最终无果的事. 我不会责怪他们. 这是文化的影响. 我对他们的建议是, 弄清楚最重要的实验是什么, 然后坚持下去. 好的实验总是需要时间.
但并不是每个人都会有耐心.
对. 年轻的学生不一定拥有自由来保持自己的高度创新, 除非他们能够在很短的时间内完成并成功. 他们不一定很有耐心, 不一定愿意仅仅做着摸索的工作. 他们需要得到合作者的认可. 他们需要有人为他们写推荐信.
你唯一能做的就是努力工作. 但我也告诉我的学生, '沟通. 不要把自己隔绝起来. 尝试自己提出好的想法, 但也要重视团队合作. 尝试创新. 没有什么是轻而易举的. 但发现新事物是值得的. '