1963年, 瑪麗亞·格佩特·梅耶 (Maria Goeppert Mayer) 因描述原子核結構的數學模型而獲得了諾貝爾物理學獎. 從那以後, 再沒有女性贏得同樣的殊榮.
這55年間, 有可能獲得諾貝爾物理學獎的眾多女性之一是吳秀蘭. 她是威斯康辛大學麥迪遜分校的恩裡科·費米獎特聘物理學教授, 也是歐洲核子研究中心的成員. 該中心位於日內瓦附近, 配備了大型強子對撞機. 她的名字出現在1000多篇高能物理學論文中, 在過去50年, 她為物理領域中最重要的數個實驗做出了重要貢獻. 她甚至達成了作為年輕研究員時為自己設定的艱巨目標: 至少實現三項重大發現.
吳秀蘭是研究J/psi粒子 (J/psi particle) 的兩個團隊之一的重要成員. 這種粒子宣告著第四種夸克——粲夸克 (charm) 的存在. 在1974年, 這兩個研究小組幾乎同時發現了粲夸克, 這掀起了 '十一月革命' , 推動了粒子物理學在接下來幾年發生了巨大的改變, 促進了粒子物理標準模型的建立. 在20世紀70年代後期, 吳秀蘭展開了大量的數學運算和研究分析, 識別出粒子碰撞時飛離的三道能量 '束流' . 這些碰撞證明了膠子粒子的存在, 而膠子能夠傳遞將質子和中子結合在一起的強大作用力. 自科學家們發現光子是電磁輻射的載體後, 吳秀蘭的這項工作首次發現了能夠傳遞作用力的粒子. 她後來成為ATLAS實驗的團隊負責人之一. 該實驗是科學家們在大型強子對撞機上的兩次合作之一, 並在2012年發現希格斯玻色子, 填補了標準模型的最後一塊空缺. 後來, 她繼續致力於尋找超越標準模型並推動物理學發展的新粒子.
她三次顛覆粒子物理學 卻為何未獲諾貝爾獎?
第二次世界大戰期間, 吳秀蘭出生在被日軍佔領的香港. 她的母親是一名富有商人的第六個妾, 在她小時候, 她和母親, 弟弟遭到拋棄. 她在貧困中長大, 獨自睡在一家米店後面的小空間裡. 她的母親雖是文盲, 但她敦促女兒繼續接受教育, 並教導她, 男性變化無常, 女性需獨立於男性.
她畢業於香港的一所公立學校, 並向美國的50所大學提出了申請, 最終獲得了前往瓦薩學院的獎學金.
一開始, 她想成為一名藝術家, 但後來她閱讀了居裡夫人的傳記, 這促使她決定學習物理. 她連續數年暑假在紐約長島的布魯克海文國家實驗室做實驗, 並在哈佛大學讀研究生. 同事中她是唯一的女性, 還被禁止進入男性宿舍參加在那裡聚集的學習小組. 從那以後, 她一直致力於提升物理學領域對人才的包容性, 並在60多名男女學生攻讀博士學位期間為他們提供指導.
6月初, 在陽光明媚的克利夫蘭, 吳秀蘭接受了《量子雜誌》 (Quanta Magazine) 的採訪. 她剛剛在一次研討會上發表了關於發現膠子的特邀演講, 以紀念標準模型誕生50周年.
以下為經減縮的訪談記錄.
您開展了世界上數場規模最大的實驗, 指導了幾十名學生, 經常往返於麥迪遜和日內瓦. 對您而言, 正常的一天是怎樣的?
很累! 我在歐洲核子研究中心 (CERN) 從事全職工作, 但我經常去麥迪遜. 所以我經常往返於這兩個地方.
您是如何掌控這一切?
我認為, 關鍵在於我的完全投入. 我的丈夫吳大峻也是一名教授, 他在哈佛大學的理論物理系任職. 現在, 他比我還努力工作, 這很難想象. 他正致力於希格斯玻色子衰變的計算問題, 難度很大. 但我鼓勵他努力工作, 因為這對年老時的精神狀態有好處. 這也是我工作如此努力的原因.
在您參與的所有發現中, 您是否最喜歡其中一項發現?
發現膠子的那段時間很美妙, 我只是一名二年級還是三年級的助理教授. 當時我很開心. 因為我像個嬰兒一樣, 在所有關鍵合作成員中我最年輕. 膠子是自光子以來發現的首個傳遞力的粒子. 幾年後發現了傳遞弱力的W和Z玻色子的研究人員獲得了諾貝爾獎. 為什麼您發現了膠子卻沒有獲獎?
好吧, 這你得問問諾貝爾委員會了. (笑) 諾貝爾獎每個單項的獲獎人數不能超過三人. 參與實驗的還有其他三位物理學家, 他們都比我更資深. 他們對我很好. 但我推動了立即尋找膠子的這一想法, 計算工作也是我做的. 我甚至沒有和理論家們交談過. 雖然我嫁給了理論家, 但我從未真正關注理論家告訴我的事情.
你最終怎麼完成那些計算?
如果想成功, 你必須要快. 但你也必須率先做出成果. 所以我做了一些計算, 以確保德國電子同步加速器研究所 (DESY) 的新對撞機在德國漢堡開啟後, 我們可以觀測到膠子並識別出三束粒子射流的訊號. 在那些日子裡, 我們不太確定膠子的訊號是否清晰, 因為射流的概念僅在幾年前出現, 但這似乎是發現膠子的唯一方法.
您還參與了發現希格斯玻色子的研究, 作為標準模型中的一種粒子, 它可以賦予許多其他粒子質量. 這個實驗與您參與的其他實驗有何不同?
我在發現希格斯玻色子所花費的精力和時間遠多於任何其他研究. 我為此工作了30多年, 做了一個又一個實驗. 我想我為這一發現做出了很多貢獻. 但是歐洲核子研究中心ATLAS實驗的合作規模如此之大, 你不應談論個人貢獻. 有3000人建立並參與了我們的實驗. 誰能說自己有什麼功勞? 在過去, 大家的想法更簡單.
比起你那個時代, 現在成為一名女性物理研究者是否更容易?
我一開始工作時並不順利. 但現在, 年輕女性從事這方面的工作會更容易. 資助機構和研究院之間有一種鼓勵年輕女性的趨勢, 我認為這很好. 但我經曆過一段非常艱難的時期. 現在我得到認可了, 別人才說: 我們為什麼要以不同的方式對待你?
當您還是年輕研究員時, 哪些人是您的導師?
當我在德國電子同步加速器研究所尋找膠子時, 布約恩·維克 (Bjorn Wiik) 真的幫了我大忙.
他怎麼幫你?
當我開始在威斯康辛大學工作時, 我正尋找一個新項目. 我對研究正負電子對撞感興趣, 這類對撞能夠提供最明顯的膠子痕迹. 所以我去找威斯康辛州的另一名教授, 他曾在斯坦福直線加速器中心 (SLAC) 做過這些實驗. 但他對與我合作並不感興趣.
所以我試著進入德國電子同步加速器研究所的正負電子對撞機項目. 我想參加JADE實驗 (JADE四個字母分別取自開發對撞機的國家: 日本, 美國, 德國和英格蘭) . 我有一些朋友在那裡工作, 所以我去了德國, 我很樂意加入他們. 但後來我聽說沒有人向團隊中的一名資深教授提過我, 所以我打電話給他. 他說, '我不確定是否接收你, 而我要去度假一個月. 等我回來我會打電話給你. ' 當時我真的很傷心, 因為我已經在德國, 已經在他們的研究所裡了.
然後我遇到了布約恩·維克, 他領導著一個名為TASSO的不同實驗, 他說: '你在這做什麼? ' 我說, '我想加入JADE實驗, 但他們拒絕了我. ' 他說, '來吧, 我們談一談. ' '他第二天就接納了我. 事實是, 我們TASSO團隊率先觀察到膠子的三道能量噴流, 而JADE團隊因實驗室出了問題而未能觀察到這種現象. 所以我意識到, 如果一扇門關閉了, 生活會為你開啟一扇窗.
您把消極的一面轉變成了積極的一面.
是的. 當我在向美國申請大學時, 也發生了同樣的事情. 在瀏覽美國領事館的目錄後, 我向50所大學提出了申請, 並在每份申請中寫道, '我需要全額獎學金和食宿, ' 因為我沒有錢. 四所大學回複了我. 其中三所拒絕了我. 瓦薩學院是唯一接受我的美國大學. 事實證明, 在申請的所有學院中, 它是最好的大學.
如果堅持下去, 一定會有好事發生. 我的理念是你必須努力工作並擁有良好的判斷力. 但運氣也必不可少.
我知道這是一個不公平的問題, 因為沒有人這樣問過男人. 我想問的是, 社會如何激勵更多女性學習物理或視之為職業?
好吧, 我只能談談我的領域——實驗高能物理學. 我認為我的領域對女性來說非常困難. 部分原因是家庭的問題.
除了夏天, 我和我的丈夫有10年沒有居住在一起. 我放棄了生孩子. 當我考慮生孩子的時候, 我正被提名授予終身職位和補助金. 如果懷孕了, 我擔心自己會失去這些. 我不太擔心懷孕本身, 更多的是擔心在懷孕期間走進部門或參加會議. 所以這對有家庭的女性們來說非常困難.
我認為, 現在仍是如此.
是的, 但是對於年輕一代而言, 情況變得不同. 如今, 如果支援女性, 這個部門會讓人覺得不錯. 我並不是說各個部門只是為了營造更好的形象而故意這樣做, 但他們不再激烈反對女性了. 但是, 女性依舊面臨困難, 特別是實驗高能物理學. 我認為, 需要經常出行讓擁有家庭或享受生活變得困難. 理論說說要容易得多, 但實際生活並非如此.
您已經做了如此多的工作來幫助建立粒子物理學的標準模型. 您對它有何看法? 令人驚訝的是標準模型很有效. 我喜歡這樣, 每當我們嘗試在標準模型中找出我們未考慮的東西, 我們都找不到它, 因為標準模型很全面, 我們找不出來未涵蓋的東西.
但是在過去, 那時我們還有許多未發現和確立的東西. 現在的問題是, 所有東西都非常美妙地融合在一起, 標準模型得到了很有效的驗證. 這就是我想念發現J/Ψ粒子的那段時間的原因. 沒人想到接下來會發現什麼, 沒有人真正擁有有關下一個發現的線索.
但也許那些驚喜的日子還沒有結束.
我們知道標準模型是對自然的不完整描述. 它沒有考慮到引力和中微子的質量或暗物質 (構成宇宙質量的七分之六的無形物質) . 除了標準模型, 您有沒有一個最感興趣的研究對象?
目前, 我正在尋找構成暗物質的粒子. 唯一的問題是, 我致力於歐洲核子研究中心大型強子對撞機的工作. 但是對撞機可能是, 也可能不是尋找暗物質的最佳儀器. 暗物質存在於星系中, 但我們在地球上觀測不到它.
不過, 我要試試. 如果暗物質與已知粒子之間存在相互作用, 可以通過大型強子對撞機中的碰撞產生暗物質. 但弱相互作用的暗物質不會在我們的ATLAS探測器中留下明顯的訊號, 所以我們必須從實際觀測到的現象中憑直覺判斷它是否存在. 現在, 我正在集中精力尋找證明暗物質存在的線索, 這種暗物質會在碰撞中失去能量和動量, 從而產生希格斯玻色子.
您還在研究什麼?
我們最重要的任務是了解希格斯玻色子的性質, 這是一種全新的粒子. 希格斯玻色子比我們所知道的任何其他粒子都更對稱, 它是我們在沒有旋轉設備的情況下發現的第一種粒子. 我和我的團隊是最近測量希格斯玻色子與頂夸克的相互作用的主要貢獻者. 這種觀測極具挑戰性. 我們細查了五年的碰撞數據, 而我的團隊密切關注著先進的機器學習技術和統計數據.
除了研究希格斯玻色子和尋找暗物質之外, 我和我的團隊還為矽像素探測器, 觸發系統 (可識別具有潛在研究價值的碰撞) 以及ATLAS探測器中的計算系統做出了貢獻. 目前, 我們在大型強子對撞機關閉和升級期間對這些設備或系統進行改進. 我們也對不久的將來感到非常興奮, 因為我們計劃開始使用量子計算進行數據分析.
你對剛開始職業生涯的年輕物理學家有什麼建議嗎?
今天一些年輕的實驗者有點過於保守. 換句話說, 他們害怕做一些不屬於主流的事情. 他們擔心做一些存在風險但最終無果的事. 我不會責怪他們. 這是文化的影響. 我對他們的建議是, 弄清楚最重要的實驗是什麼, 然後堅持下去. 好的實驗總是需要時間.
但並不是每個人都會有耐心.
對. 年輕的學生不一定擁有自由來保持自己的高度創新, 除非他們能夠在很短的時間內完成並成功. 他們不一定很有耐心, 不一定願意僅僅做著摸索的工作. 他們需要得到合作者的認可. 他們需要有人為他們寫推薦信.
你唯一能做的就是努力工作. 但我也告訴我的學生, '溝通. 不要把自己隔絕起來. 嘗試自己提出好的想法, 但也要重視團隊合作. 嘗試創新. 沒有什麼是輕而易舉的. 但發現新事物是值得的. '