Chińska madame Skłodowska – Chien-Shiung Wu

Koledzy tytułowali ją “pierwszą damą fizyki”. Była emigrantką, jednak nigdy nie zapomniała o kraju swojego pochodzenia. Szybko zyskała sławę jako specjalistka od fizyki atomu i promieniotwórczości. Poznajmy Chien-Shiung Wu.

Rozpad beta był dla mnie jak stary przyjaciel. W moim sercu zawsze znajduje się miejsce zarezerwowane specjalnie dla niego.

Chien-Shiung Wu

W 1911 roku Maria Skłodowska-Curie odebrała drugą w swoim życiu Nagrodę Nobla, ustanawiając historyczny precedens. Nie mogła wiedzieć, że w tym samym czasie po przeciwnej stronie Kuli Ziemskiej, na świat przyszła dziewczynka, dla której dokonania słynnej uczonej staną się wzorem i życiową inspiracją.

W poszukiwaniu perspektyw

Chien-Shiung Wu (czytamy: Dzjen-Siong Łu) była córką zdolnego inżyniera i urzędniczki zamieszkujących niewielkie miasto opodal Szanghaju. Miała szczęście, bowiem jej rodzice należeli do wykształconej oraz nadzwyczaj postępowej mniejszości chińskiego społeczeństwa początku XX wieku. Wierzyli w równouprawnienie i powszechny dostęp do edukacji. Nie były to zresztą jedynie puste slogany, bowiem pan Wu poświęcał swój wolny czas prowadząc zajęcia dla okolicznych dzieciaków. Tylko dzięki temu, w odróżnieniu od wielu rówieśniczek mała Chien-Shiung dorastała w otoczeniu książek, nieustannie i gorliwie dopingowana do zdobywania wiedzy. Odpowiednie wychowanie wespół z wrodzonym talentem matematycznym rychło przyniosły plony. Podczas testu wstępnego do żeńskiej szkoły ponadpodstawowej, nasza bohaterka uzyskała dziewiąty najlepszy wynik wśród dziesięciu tysięcy chętnych. Miała wtedy… dziesięć lat.

W czasie edukacji w elitarnej placówce Suzhou dziewczyna po raz pierwszy usłyszała nazwisko Skłodowskiej i złapała bakcyla do fizyki. Nie było w tym przypadku. Polska uczona cieszyła się międzynarodową sławą, nie tylko jako najbardziej utytułowana uczona, ale również największy kobiecy autorytet oraz symbol emancypacji. Kiedy więc Chien-Shiung trafiła na uczelnię w Nankinie (dzięki rewelacyjnym ocenom z pominięciem egzaminów), postanowiła zgłębiać dziedzinę swojej idolki. Z sukcesami, bo niemal natychmiast zyskała opinię najpilniejszej studentki, tak wśród kolegów z roku, jak i profesorów. Uskuteczniała przy tym ideał azjatyckiej pracowitości. Mimo kolejnych osiągnięć i żarliwej ambicji, Chien-Shiung pozostawała cicha, posłuszna, pełna pokory i skromna aż do przesady.

Istniał tylko jeden, dość spory problem. Chińskie uczelnie nie dawały w tym czasie kobietom szans na uzyskanie doktoratu, tym samym uniemożliwiając im realny awans w akademickiej hierarchii. Wszyscy ludzie znający Chien-Shiung wiedzieli, że w ojczyźnie nigdy nie zdoła wykorzystać swojego potencjału. Rodzice otwarcie namawiali ją do emigracji, wykładowcy słali za granicę listy polecające, a bogaty wuj zobowiązał się pokryć wszelkie koszty ewentualnego wyjazdu. W ten sposób, latem 1936 roku Chien-Shiung Wu wylądowała na studiach doktoranckich w kalifornijskim Uniwersytecie Berkeley. Podobnie do innych naukowych emigrantów, badaczka zamierzała wyjechać na kilka lat, a po uzyskaniu tytułu, doszlifowaniu języka i zawarciu przydatnych znajomości, powrócić do domu. Jednak Chien-Shiung już nigdy nie zobaczyła swoich bliskich. Nadejście japońskiej agresji i wojny domowej zakończona triumfem komunistycznego terroru sprawiły, że początkowe plany diabli wzięli.

Pierwsza dama Berkeley

Po przyjeździe do Stanów Zjednoczonych dwudziestoparolatka szybko nawiązała przyjaźnie, świetnie odnajdując się w licznej azjatyckiej społeczności. Chińczyków nie brakowało również wśród pracowników naukowych. To w murach Berkeley Chien-Shiung spotkała swojego przyszłego męża, skądinąd interesującą postać – Chia-Liu Yuana. Luke (jak go nazywali Amerykanie) przybył do Kalifornii, nosząc łatkę wnuka generała Yuan Shikaia, pierwszego prezydenta Republiki Chińskiej, o mętnym życiorysie i dyskusyjnych zasługach. Pochodzenie nie przysporzyło młodemu fizykowi popularności, choć on sam stronił od polityki i odcinał się od obrazu kontrowersyjnego dziadka.

Chien-Shiung Wu i Luke Yuan.

Początkujący uczeni z Berkeley mieli szczęście pobierać nauki od trzech noblistów i największych doświadczalników tamtej epoki: Roberta Millikana (ustalił, że ładunek elektryczny elektronu to ładunek elementarny), Emilia Segrè’a (brał udział w odkryciu trzech pierwiastków) oraz Ernesta Lawrence’a (zaprojektował pierwszy kołowy akcelerator cząstek elementarnych). Chien-Shiung już standardowo, w zaledwie kilka miesięcy wypracowała sobie pozycję miejscowej gwiazdy. Jak wspominał Segrè: “Siła woli Wu i jej poświęcenie przypomina mi Marię Curie, przy czym ta pierwsza jest bardziej światowa, elegancka i dowcipna”. Wkrótce cały kampus mówił o drobnej, szalenie utalentowanej Chince. Mimo, że nasza bohaterka nie robiła wokół siebie szumu to jej zjawiskowa uroda, urok osobisty, orientalne obyczaje (wciąż lubiła spacerować w tradycyjnych chińskich strojach) i przede wszystkim etos pracy – robiły wrażenie na niemal wszystkich. Drobny wyjątek stanowili studenci Chien-Shiung, niekoniecznie podzielający jej bezgraniczne oddanie nauce i żelazną dyscyplinę. Część wałkoni ochrzciło swoją mentorkę – nawiązując do nazwiska przywódcy Republiki Chińskiej – Generalissimusem Czang Kaj-szekiem. Trzeba jednak zaznaczyć, że eksperymentatorka nigdy nie wymagała od swoich podwładnych niczego więcej, niż od siebie samej. A, że sama potrafiła przesiadywać w laboratorium do czwartej nad ranem…

Mimo świetnych opinii, świeżo upieczona pani doktor nie dostała etatu w Berkeley. Chociaż otrzymała potężne wstawiennictwo swoich profesorów, władze uczelni traktowali Azjatkę z niesprawiedliwą podejrzliwością. Na szczęście Lawrence i Segrè zrobili co w ich mocy, aby talent ich uczennicy nie został zmarnotrawiony. W ten sposób Chien-Shiung wyprowadziła się na drugi kraniec kontynentu, najpierw obejmując posadę wykładowcy (jako pierwsza kobieta) w Instytucie Badań Zaawansowanych w Princeton, a następnie osiadając na nowojorskim Uniwersytecie Columbia. Jej zdolności nie umknęły również wojsku. W 1944 została poproszona o pomoc w pracach nad izolacją izotopu uranu-235, dokładając tym samym chińską cegiełkę do Programu Manhattan.

Chien-Shiung Wu i Wolfgang Pauli
Chien-Shiung Wu obok Wolfganga Pauliego.

Najlepszy beta-przyjaciel

Na wschodnim wybrzeżu Chien-Shiung Wu wiodła szczęśliwe życie. Zamieszkała wraz z mężem w pięknym domu na Long Island, urodziła syna, a jej kariera nabrała zawrotnego tempa. Co najważniejsze dla nas, fizyczka odkryła również nowy obiekt fascynacji – zagadkę zachodzących w jądrze atomowym rozpadów beta.

Przemiany β pozwalają na niezwykłą sztuczkę: transformację jednej cząstki w inną. Przykładowo, wszechobecne neutrony konwertują w protony, emitując przy okazji elektron i antyneutrino. To fundament funkcjonowania natury, jak również jedna z głównych obsesji badaczy mikroświata. Nie bez przyczyny. Zrozumienie rozpadu beta okazało się kluczem do opisu jądra atomu, uchwycenia niuansów zjawiska promieniotwórczości, odkrycia neutrina, wyprowadzenia teorii oddziaływania słabego, a nawet wstępem do rozważań na temat mechanizmu pola Higgsa. W połowie lat 50. mądre głowy trapił jednak inny kłopot.

Najprostszy schemat przemiany beta.

Wszystko zaczęło się pewnego letniego popołudnia, gdy laboratorium Uniwersytetu Columbia odwiedziło dwóch młodzieńców uzbrojonych w szaloną hipotezę. Doktoranci Enrico Fermiego – 28-letni Chen-Ning Yang oraz 24-letni Tsung-Dao Lee – przedstawili starszej koleżance zarys artykułu, zgodnie z którym rozpady beta charakteryzowałby specyficzny brak zachowania symetrii.

Eksperyment Wu

Temat symetrii oraz zasady zachowania przez dekady pozostawał strefą wolną od polemiki. Fakt istnienia pewnych parzystości, odwracalności i izotropii, wydawał się równie oczywisty, co przemienność mnożenia albo widok odbicia w lustrze. Tak po prostu działa przyroda. Jednak kiedy Yang i Lee wzięli pod lupę oddziaływanie słabe odpowiadające za promieniotwórczość, dostrzegli, że wiele rzeczy się nie zgadza. Kiedy przy okazji własnych doświadczeń badali kaony (mezony K), odnotowali niepokojące zjawisko. Drobiny ze znanego tylko sobie powodu raz rozpadały się na dwie cząstki, a raz na trzy. Bliźniacze anomalie ujawniały się również w innych rozpadach, m.in. mezonów tau czy pionów (mezonów Pi). Chińscy fizycy pragnęli ustalić, czy otrzymane wyniki to wyłącznie dzieło przypadku, czy może biorą swoje źródło, w którejś z fizycznych cech cząstek elementarnych.

Obiektem dociekań Yanga i Lee stała się właściwość mikroświata zwana skrętnością. Cząstki miotają się między prawoskrętnością i lewoskrętnością, toteż fizycy przypuścili, że aktualny stan może determinować sposób rozkładu. Musimy mieć świadomość, że ta niewinna z pozoru teza wiązała się z poważnymi konsekwencjami, na czele z ostentacyjnym sprofanowaniem praw symetrii. Mówimy o tej samej cząstce, która po “odwróceniu” zaczyna reagować w odmienny sposób na jedno z oddziaływań podstawowych. Rzecz jasna doktoranci zdawali sobie sprawę, że ich nadzwyczajne twierdzenie wymaga równie nadzwyczajnego dowodu. Ta złota zasada zaprowadziła ich przed oblicze najbardziej skrupulatnej spośród znanych im fizyków doświadczalnych, czyli Chien-Shiung Wu.

Schemat po lewej przedstawia rozpad przy zachowaniu symetrii, ten po prawej, przy jej złamaniu.

Badaczka podeszła do sprawy z właściwym sobie pedantyzmem. Zaopatrzyła się najnowocześniejszy sprzęt stosowany przez fizyków niskich temperatur. W warunkach bliskich zeru absolutnemu i niemal zupełnej próżni, spolaryzowała jądra kobaltu-60, zmuszając je do przybrania pożądanego spinu i skrętności. Co dalej? Wewnątrz niestabilnego izotopu kobaltu prędzej czy później dochodzi do klasycznego rozpadu beta. Jeden z neutronów zmienia się w proton, wyrzucając w przestrzeń elektron i antyneutrino. (Gwoli ścisłości, na tym nie koniec. Kobalt-60 zmienia się w jądro niklu-60, które emituje fotony promieniowania gamma. Same fotony nie były w tym przypadku głównym przedmiotem zainteresowania, jednak okazały się przydatne. Jako kwanty promieniowania elektromagnetycznego nie mają nic wspólnego z oddziaływaniem słabym (w przeciwieństwie do elektronów), a zatem zachowują wzorcową symetrię i mogą służyć w doświadczeniu jako punkt odniesienia).

Jądra atomów emitowały większość elektronów w jednym z kierunków, wzdłuż osi obrotu. Jeżeli prawa symetrii miałyby tu zastosowanie, to niezależnie od tego czy dane jądro znajduje się w stanie lewoskrętności czy prawoskrętności, kierunek emisji powinien być ten sam (patrz ilustracja powyżej). Odczyty instrumentów wskazywały jednak na wniosek przeciwny, a co za tym idzie na poprawność hipotezy Yanga i Lee. Elektrony bezwstydnie preferowały jedną z dostępnych opcji.

Piątek, 4 stycznia, godzina dwunasta w południe. Zgodnie z utartą od lat tradycją w piątki jadaliśmy lunch w chińskiej restauracji. Wykładowcy zebrali się przed gabinetem profesora Tsung-Dao Lee. (…) Tym piątkowym posiłkom towarzyszyły niepohamowane i hałaśliwe dyskusje, czasem na trzy lub cztery tematy równocześnie, przerywane pełnym zadowolenia siorbaniem zupy z melonów i rozdzielaniem potrawki ze smoczego mięsa. (…) Już w drodze do restauracji wyklarował się temat dnia: parzystość i najświeższe wiadomości od naszej koleżanki z Uniwersytetu Columbia, Chien-Shiung Wu. (…) Kartka i ołówek zostają przekazane kelnerowi, a Lee rzuca się w wir konwersacji. “Dzwoniła Wu i powiedziała, że wstępne wyniki wskazują na istnienie ogromnego efektu” – rzucił gorączkowo.

~ Leon Lederman

Wspomniany “ogromny efekt” nie pozostawiał wątpliwości. Chiński tercet Yang, Lee oraz Wu, dowiódł, że z jakiegoś powodu rozpad beta, a co za tym idzie oddziaływanie słabe, nie poddaje się zasadom zwierciadlanej symetrii. Był to wielki szok dla całego świata nauki. Najlepiej dowodzi tego reakcja Wolfganga Pauliego – prywatnie dobrego znajomego Shien – który w emocjonalnym tonie stwierdził, że “nie wierzy, aby Bóg był słabym mańkutem” i zażądał powtórzenia eksperymentu. Powtórek oczywiście nie zabrakło. Inny znamienity fizyk (i wspaniały popularyzator nauki) – czcigodny Leon Lederman – zainspirowany pracą swojej koleżanki, przeprowadził wkrótce podobny test dla mionów. Konkluzja była taka sama: “Zasada zachowania parzystości nie była spełniona dla oddziaływań słabych rządzących rozpadem mionu”!

Chiński Nobel

Odkrycie jakiegokolwiek wyłomu w sferze tak fundamentalnej jak zasady zachowania, bezapelacyjnie wołało o najwyższe możliwe wyróżnienia. I rzeczywiście, jeszcze przed końcem roku Sztokholm przyznał Nagrodę w dziedzinie fizyki za “wnikliwe zbadanie tak zwanego prawa zachowania parzystości, co doprowadziło do ważnych odkryć związanych z cząstkami elementarnymi”, odznaczając Chen-Ning Yanga oraz Tsung-Dao Lee. Częstą praktyką jest dzielenie Nobla pomiędzy trzech uczonych, jednak z nieznanych powodów akurat w 1957 roku na taki ruch się nie zdecydowano.

Chien-Shiung Wu w środowisku naturalnym.

Chien-Shiung Wu, jak zawsze pełna godności, niechętnie udzielała publicznych komentarzy. Twierdziła, że “rzut oka na ten cud natury będzie nagrodą na całe życie”. Na odrobinę żalu pozwoliła sobie tylko w prywatnej korespondencji: “Chociaż nie prowadziłam badań tylko dla nagrody, nadal bardzo mnie boli, że moja praca została przeoczona”. Do pewnego zadośćuczynienia doszło w 1978 roku, kiedy w ręce Chinki trafiła świeżo ustanowiona Nagroda Wolfa.

Jednak Nobel to Nobel. Uczoną ominął nie tylko prestiż związany z samym odznaczeniem, ale również wieczny splendor. Niewiele brakowało, a Chien-Shiung Wu zostałaby zapamiętana jako druga – po Marii Skłodowskiej-Curie – kobieta z Noblem w dziedzinie fizyki.

Tym bardziej żywię nadzieję, że dzięki temu skromnemu artykułowi nazwisko Wu zostanie odłowione z odmętów historii nauki. Najwybitniejsza eksperymentatorka XX wieku zasłużyła na pamięć.

Literatura uzupełniająca:
L. Lederman, D. Teresi, Boska Cząstka. Jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?, przeł. E. Kołodziej, Warszawa 1996;
L. Lederman, C. Hill, Dalej niż Boska Cząstka, przeł. U. Seweryńska, Warszawa 2015;
T. Pospieszny, Pasja i Geniusz. Kobiety, które zasłużyły na Nagrodę Nobla, Warszawa 2019;
M. Hergueta, Forgotten women in science: Chien-Shiung Wu, [online: www.cosmosmagazine.com/physics/forgotten-women-in-science-chien-shiung-wu];
H. Sack, Chien-Shiung Wu and the Conservation of Parity, [online: http://scihi.org/chien-shiung-wu-conservation-parity].
Niezbyt ciekawy tekst o naprawdę ciekawych liczbach Deszcz, hałas i taniec. 7 naprawdę alternatywnych źródeł energii Polscy uczeni wobec zagadnienia interpretacji mechaniki kwantowej [suplement – uzasadnienia]