科学资讯| 发表上千篇论文，3次与诺奖擦肩：华裔物理学家吴秀兰的高能人生

2018 年 8 月 11 日 算法与数学之美

1963 年，玛丽亚·格佩特-梅耶（Maria Goeppert Mayer）因为描述了原子核的分层壳状结构获得了诺贝尔物理学奖。此后再没有女性获此殊荣。

但是如果有平行世界，那么这 55 年来可能会有众多女性获得诺贝尔物理学奖，吴秀兰（Sau Lan Wu）便是其中之一。吴秀兰是威斯康星大学麦迪逊分校的恩里克·费米奖特聘物理学教授（Enrico Fermi Distinguished Professor of Physics），也是欧洲核子研究中心（CERN）的研究员。

她的名字出现在超过 1000 篇高能物理学论文中，在该领域近五十年来最重要的实验中，她参与了 6 项。她甚至达成了年轻时立下的那个遥不可及的目标：做出至少 3 项重大发现——这 3 项重大发现，每个是“诺奖级”。

吴秀兰是发现 J/ψ 介子的两个课题组之一的重要一员。J/ψ 介子的发现预示了第四种夸克的存在，即现在所说的粲夸克（charm quark）。这项发现诞生于 1974 年，被称为“十一月革命”，是粒子物理学标准模型建立的关键一步。

20 世纪 70 年代末，吴秀兰做了许多运算和分析工作，识别出粒子对撞时喷射出的三束能量，这标示着胶子（gluon）的存在——该粒子介导着将质子和中子束缚在一起的强相互作用。这是继光子被发现介导电磁力之后，人们发现的第一种介导相互作用的粒子。

吴秀兰后来成为了超环面仪器（ATLAS）实验的课题组组长之一，也是 2012 年参与大型强子对撞机实验的两个合作方之一，这个实验发现了希格斯玻色子（higgs boson），填补了标准模型缺失的最后一块拼图。她仍在继续寻找新的粒子，希望可以超越标准模型，将物理学继续向前推进。

高能物理学家吴秀兰

吴秀兰出生在二战时被占领的香港。她的母亲是一位富商的第六个妾，她还有一个弟弟，而在吴秀兰还是个孩子时，父亲就抛弃了他们。她在极度的贫困中长大，孤单地睡在一间米店后面的空地上。她的母亲虽然是个文盲，却极力敦促女儿求学，不要依靠善变的男人。

从香港一所公立学校毕业后，吴秀兰申请了 50 所美国的大学。她最终收到了瓦萨学院（Vassar College）的奖学金，于是带着 40 美元前往美国。

她最初想成为一名艺术家，但在读了居里夫人的传记之后，她深受启发，决定学习物理学。一连几个暑假，她都在长岛的布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）做实验，后来又进入哈佛大学研究生院深造。

她是同学中的唯一一个女生，被禁止进入男生宿舍参加在那里组织的学习小组。从此，她致力于让每个人都能在物理学中拥有一席之地，后来指导了 60 个男女博士生。

六月初，在阳光明媚的克利夫兰，Quanta 杂志采访了吴秀兰，她那时刚刚被邀请在一个研讨会上针对胶子的发现发表演说，以庆祝标准模型诞生 50 周年。

吴秀兰在CERN的办公室里布置着纪念品和照片

包括一张她和丈夫的合照

她的丈夫吴大峻是哈佛大学理论物理学教授

（THI MY LIEN NGUYEN/QUANTA MAGAZINE）

如果你想成功，你就要成为第一

Q：你在为世界最大的实验项目工作，也是数十个学生的导师，在麦迪逊和日内瓦之间往返。你每天的日常是怎样的？

吴：非常累！总的来说，我在 CERN 全职工作，但也常去麦迪逊。所以我确实经常四处奔波。

Q：你是怎么协调这一切的？

吴：我认为，关键是我全身心投入其中。我的丈夫吴大峻（Tai Tsun Wu）也是一名教授，在哈佛大学教理论物理。现在他甚至比我工作还要努力，这是不是令人难以想象？

他正在做关于希格斯玻色子衰变的计算，十分困难。但我鼓励他要努力工作，因为当你上了年纪之后，工作对你的精神状态有好处。这也是我努力工作的原因。

Q：在所有你参与过的发现中，有没有哪个是你最喜欢的？

吴：胶子的发现是一段非常美妙的经历。我当时只是个工作刚刚两三年的助教。我特别开心，因为我是研究组所有核心成员中年龄最小的。

Q：胶子是继光子之后第一个被发现介导相互作用的粒子。介导弱相互作用的 W 和 Z 玻色子在几年之后被发现，其发现者获得了诺贝尔奖，但为什么没有奖项奖励给胶子的发现呢？

吴：呃……这你得问问诺奖委员会了（笑）。我只能说说我的看法：诺贝尔奖只能颁发给三个人，而另外三名与我一同参与实验的物理学家比我更为资深。他们对我很好。

但是，是我提议立刻搜寻胶子，而且是我做的计算工作。我甚至没有跟理论物理学家交流。虽然我嫁给了一位理论物理学家，但我从来不怎么关心理论物理学家让我做什么。

Q：你是如何成功地成为做计算工作的那个人的？

吴：如果你想成功，你就要快，而且你要成为第一。所以我作了计算，保证只要汉堡的德国电子同步加速器研究所（DESY）里那台新的对撞机一启动，我们就能够看到胶子，并识别出它的三束粒子喷流的信号。我们那时候并不确定胶子的信号会不会清晰，因为粒子喷流的概念在一两年前才被提出，但这似乎是发现胶子的唯一方法。

Q：你还参与了希格斯玻色子的发现，在标准模型中，这个粒子是给予其他粒子质量的粒子。这项实验与你参与的其他实验有什么不同吗？

吴：在希格斯玻色子的发现上，我所做的工作和所花的时间比其他任何项目都要多。我为它工作了 30 多年，做过一项又一项实验。我觉得我为那项发现作了很多贡献。

但是 CERN 的超环面仪器（ATLAS）的合作规模实在太大了，你没法谈什么个人贡献。3000 人参与了仪器的建造和实验工作，哪有人能说自己作了什么贡献？在以前，这些事情更容易说得清。

吴秀兰和在ATLAS的同事们的一张合影

2012年，他们在庆祝希格斯玻色子的发现

失之桑榆，收之东隅

Q：与你年轻时相比，现在物理学领域中的女性是不是更轻松了？

吴：我没有觉得更轻松，但是对于年轻女性来说，确实是这样的。现在基金会和学术机构有鼓励年轻女性参与研究的趋势，我认为这是很棒的事情。但是对于我这样人的就比较困难了。我经历了一段非常难熬的时光，现在我已经站稳了脚跟，其他人又会说：为什么我们要给你特别对待呢？

Q：在你还是个年轻研究者的时候，你有哪些导师？

吴：在 DESY 寻找胶子的时候，比约恩·威克（Bjørn Wiik）给予了我很大的帮助。

Q：为什么这么说？

吴：在威斯康星大学开始做研究时，我正在寻找新的研究项目。我对正负电子对撞很感兴趣，这可以给出胶子存在的最明确的迹象。所以我去找威斯康星大学的另一位教授，他在斯坦福直线加速器中心（SLAC）做这类实验，但他并没有兴趣与我合作。

所以，我又尝试加入 DESY 新建的正负电子对撞机的实验项目。我想参与 JADE 项目（该项目名称由建造探测器建造国的三个国家——日本、德国和英国的国名缩写组成），我有些朋友在那儿工作，所以我去了德国，并且已经准备好了要加入他们。

然而当我听说并没有人向这个课题组的一个主要教授提到过我时，我自己给他打了电话。他说：“我并不确定能不能接收你，而且我马上要休假一个月，回来再打电话给你。”我当时特别伤心，因为我已经在德国，在 DESY 了。

但随后我遇到了比约恩·威克，他带领着另一个叫做 TASSO 的实验项目。他问我：“你在这儿做什么呢？”我说：“我想加入 JADE 项目，但他们拒绝我了。”他说：“过来跟我谈谈吧。”他第二天就接收了我。结果不久后，JADE 的仪器舱室坏掉了，他们没能观察到胶子放出的三束信号，而我们在 TASSO 项目中率先观察到了。这让我认识到什么叫失之桑榆，收之东隅。

1978年，德国汉堡，吴秀兰和比约恩·威克

在德国的TASSO实验电子控制室里

Q：你的确把一件坏事变成了好事。

吴：是的。同样的情形还发生在我离开香港上大学的时候。我在美领馆看了一遍目录，申请了 50 所学校，并且在每一份申请中都写着“我需要一份全奖和免费食宿”，因为我没有钱。四所学校作出了回复，其中三所都拒绝了我，而瓦萨学院是美国唯一一所接受我的学校。结果，它是我申请的所有大学中最好的一所。

只要你肯坚持，好事情总会发生的。你必须努力工作，且拥有好的判断力——这是我的人生哲学。你也得有好运气。

Q：我知道这个问题不太公平，因为从来没人这么问男性，尽管我们也应该问问他们——但我还是想问，社会怎样才能激励更多的女性学习物理学，或者考虑把它作为事业呢？

吴：我只能说说我的这个领域——实验高能物理学。我认为这个领域对于女性来说是很难的，我想这部分是因为家庭问题。

我和我丈夫已经 10 年没有生活在一起了，除了夏天的时候。我也放弃了生育。当我考虑要孩子的时候，我正忙着争取终身教职和一笔研究经费，我担心如果我怀孕了会什么都拿不到。相比要孩子，我更害怕挺着大肚子走进物理系或者参加会议。所以，这个领域对家庭非常、非常不友好。

Q：我想现在还是这样。

吴：是的，但是对于年轻一代来说，事情不一样了。现在，如果一个院系能对女性给予支持的话，会给人留下更好的印象。我并不是说学校这么做只是为了维护自己的形象，他们的确也不再排挤女性了。但事情仍然很艰难，尤其是在实验高能物理领域。我认为这个领域的出差实在太频繁了，已经对家庭和个人生活带来了不便。跟这些事情相比，理论可要简单得多。

吴秀兰被选入蕾切尔·因诺托夫斯基

于2016年出版的畅销书

《科学中的女性：50位改变世界的勇敢先驱》

（THI MY LIEN NGUYEN/QUANTA MAGAZINE）

Q：你已经为粒子物理学标准模型的建立做了这么多，其中有哪些部分是你喜欢的？哪些是你不喜欢的？

吴：标准模型一直适用，一直被证明是对的，这实在令人惊喜。我最喜欢的是，每次我们想要寻找那些标准模型不能解释的东西时，我们总是找不到，因为标准模型表明我们不可能找到。

但是在我那时候，我们有太多需要去发现和建立的东西。现在的问题是，所有的东西都完美地自洽，而模型被如此完善地确立。这就是为什么我很想念发现 J/ψ 介子的那段时光。没有人预料到它的到来，没有人对它有任何了解。

不过，那些惊喜的日子或许还没有结束。

Q：我们知道标准模型是对自然界的不完整的描述，它不能解释引力、中微子的质量或暗物质——这种看不见的物质似乎构成了我们宇宙中物质的七分之六。关于在标准模型以外还存在什么，你最喜欢哪种想法？

吴：现在我正在寻找构成暗物质的粒子。唯一的问题在于，我承诺在 CERN 的大型强子对撞机这边工作，但是对撞机未必是寻找暗物质的最佳地点。暗物质存在于星系之中，我们在地球上并不能看到它。

但我仍然要尝试一下。如果暗物质与已知的粒子有任何相互作用的话，它就有可能在 LHC 的对撞中产生。但是暗物质的相互作用很弱，可能不会在超环面仪器的探测器里留下可见的信号，所以我们只能根据我们能看到的东西来推断它的存在。现在，我正致力于寻找在产生单个希格斯玻色子的对撞中丢失的能量和动量，以此作为暗物质存在的痕迹。

Q：你还在做其他什么研究吗？

吴：我们最重要的任务是理解希格斯玻色子的性质，它是一种全新的粒子。希格斯玻色子比其他任何已知的粒子都更为对称，它也是我们发现的第一种没有任何自旋的粒子。在最近对于希格斯玻色子与顶夸克相互作用的测量中，我和我的研究组是主要的贡献者。这项观测极其具有挑战性。我们检查了五年来的对撞数据，我的团队深入学习了最前沿的机器学习技术和统计学理论。

除了研究希格斯玻色子和寻找暗物质之外，我和我的研究组也为硅像素探测器、触发系统（用于识别潜在的有意义的对撞）以及超环面仪器探测器的计算机系统做了工作。我们利用 LHC 进行停机升级的时候对这些进行改进。我们对不远的将来非常期待，因为我们计划开始运用量子计算来做数据分析。

吴秀兰在CERN

Q：你对刚刚开始职业生涯的年轻物理学家有什么建议吗？

吴：现在有些年轻的实验物理学家有点太保守了。换句话说，他们害怕做一些主流之外的事情，他们害怕冒了险还得不到好结果。我不是责备他们，文化就是这样。我给他们的建议是：去找出那些最重要的实验，然后坚持下去。好的实验往往需要花点时间。

Q：但不是每个人都等得起。

吴：是的。年轻的学生并不一定有大胆创新的自由，除非他们能很快做出成绩。他们也不是总能保持耐心，全心探索。他们需要被合作者赏识，需要有人为他们写推荐信。

你能做的只有一件事：努力。但我也告诉我的学生：“要多交流，不要把自己封闭起来。试着独立提出好的想法，也可以团队合作。尝试创新。任何事情都不容易，但只要能发现新东西，所有这一切也就值得了。”