Chien-Shiung Wu

15 Ocak 1957 günü New York’ta, Columbia Üniversitesi’nin Pupin Fizik Laboratuvarı’nda basın toplantısı düzenlendi. Salonda gazeteciler vardı; masada ise iki kuramcı, Tsung-Dao Lee ile Chen-Ning Yang. Ama o günün asıl kahramanı salonun bir köşesinde, neredeyse kalabalığa karışmış hâlde duran, küçük yapılı bir deneycide, Chien-Shiung Wu’daydı. Doğa yasalarının aynadaki görüntüsüne bakınca değişmediğine dair yarım yüzyıllık inanç, onun aylar süren, sabırlı ve inanılmaz titiz bir deneyiyle yıkılmıştı.

Taicang’dan Berkeley’e: bir kız okulunun kurucusunun kızı

Wu, 31 Mayıs 1912’de Çin’in Jiangsu eyaletindeki Liuhe kasabasında doğdu. Babası Wu Zhong-Yi, o dönemde pek de beklenmeyen bir şey yapmış, kız çocukları için bir okul açmıştı; küçük Chien-Shiung da ilk eğitimini babasının kurduğu bu okulda aldı. Evde bilimin ve kitabın yeri vardı, kızlara “hanım olun” demek yerine “düşünün” deniyordu. Nanjing’deki Ulusal Merkez Üniversitesi’nde fizik okudu, 1934’te mezun oldu; sonra bir süre Şanghay’da araştırma yaptı ve 1936’da, ailesinin desteğiyle, doktora için ABD’ye gitti.

Planı Michigan Üniversitesi’ne yazılmaktı. Fakat yolculuğunun ilk duraklarından biri Berkeley oldu ve orada tanıştığı fizik camiası ona öyle çarpıcı geldi ki fikrini değiştirdi. Kaliforniya’da, Ernest Lawrence’ın siklotron laboratuvarının gölgesinde, Emilio Segrè’nin yanında çalıştı. 1940’ta verdiği doktora tezi, uranyum fisyonunun ürünleri ve ksenon radyoizotopları üzerineydi; bu seçim, birkaç yıl sonra hem kendisinin hem de dünyanın kaderine dokunacaktı.

Savaş yılları: ksenon bir reaktörü nasıl durdurdu?

1942’de, fizikçi Luke Chia-Liu Yuan ile evlendi; çift Doğu Kıyısı’na taşındı. Wu önce Smith Koleji’nde, sonra da Princeton’da ders verdi; Princeton’ın fizik bölümünde bu görevi yapan ilk kadındı. Ardından, Manhattan Projesi çerçevesinde Columbia’daki Savaş Araştırmaları Bölümü’ne geçti. Burada iki iş üstlendi: uranyum zenginleştirmede kullanılacak radyasyon sayaçlarını geliştirmek ve fisyon ürünlerinin davranışını anlamak.

İkinci iş, tarihsel bir bilmeceye ışık tuttu. Washington eyaletindeki Hanford’da ilk büyük plütonyum üretim reaktörü çalıştırıldığında, reaktör beklenmedik biçimde kendi kendine yavaşlayıp duruyordu; bir süre sonra yeniden kendine geliyordu. Sorumlu, fisyon ürünü olan ksenon-135’ti: nötronları o kadar güçlü soğuruyordu ki zincir tepkimesini boğuyordu. Wu ve Segrè’nin ksenon izotopları üzerine yaptığı ölçümler, bu “zehirlenme” olayının anlaşılmasına katkı yapan çalışmalar arasındaydı. Bugün reaktör fiziğinin ders kitaplarında ksenon zehirlenmesi standart bir konudur.

Beta bozunumu: Wu’nun uzmanlık alanı

Savaştan sonra Wu, Columbia’da kalıcı olarak çalışmaya başladı ve kısa sürede beta bozunumunun en güvenilir deneycilerinden biri oldu. Beta bozunumunda çekirdek bir elektron (ve bir nötrino) yayarak başka bir elementin çekirdeğine dönüşür. Enrico Fermi’nin 1934’teki kuramı bu olayı anlatıyordu; ama kuramı doğrulamak için elektronların enerji dağılımını çok hassas biçimde ölçmek gerekiyordu. İnce kaynaklar hazırlamakta ve ölçüm hatalarını avlamakta Wu’nun ustalığı o kadar iyiydi ki ölçümleri alanın referansı sayılmaya başladı. Moszkowski ile birlikte yazdığı “Beta Decay” (1966) kitabı, bu alanın klasik başvuru kaynaklarından biri sayılır.

Ama 1950’lerin ilk yarısında fizikçileri uykusuz bırakan başka bir bilmece vardı: “tau–teta bulmacası”. İki parçacık, kütleleri ve ömürleri bakımından aynı görünüyor, fakat biri iki, diğeri üç pion’a bozunuyordu. Bozunma ürünleri farklı “parite”ye sahipse, bunlar aynı parçacık olamazdı. Eğer aynı parçacık ise, bozunmada pariteyi kaybetmek zorundaydık.

Parite nedir ve neden herkes ona inanıyordu?

Parite, bir sistemin “ayna görüntüsünün” aynı fizik yasalarına uyup uymadığını sorar. Bir saatin ayna görüntüsü ters yönde döner, ama yine bir saattir; saati kuran yasa değişmez. Elektromanyetizma, güçlü kuvvet ve çekim bu simetriye uyuyordu; fizikçiler zayıf kuvvetin de uyduğunu varsayıyordu, çünkü kimse bunu sınamamıştı. Lee ve Yang 1956 baharında bir yazı hazırladı: hakkında kanıt olmayan bu varsayımın sınanması gerektiğini ve bunun için basit deneylerin mümkün olduğunu savundu. Önerdikleri yollardan biri, hizalı çekirdeklerin beta elektronlarını hangi yöne yaydığına bakmaktı.

Mantık şöyle: Çekirdeğin dönme eksenini (spinini) bir yöne hizalarsanız, aynada o eksen ters yönde görünmez; bir dönme ekseni “eksenel” bir vektördür ve aynada yönünü korur. Ama elektronun hareket yönü “kutupsal” bir vektördür ve aynada ters döner. Eğer elektronlar spine paralel ve antiparalel yönlere eşit sıklıkla çıkıyorsa parite korunur; bir yönü tercih ediyorlarsa korunmaz. Elektronların açısal dağılımı yaklaşık olarak \(W(\theta)\propto 1+A\,P\,\cos\theta\) biçimindedir; burada \(\theta\) elektron ile spin arasındaki açı, \(P\) çekirdeklerin hizalanma derecesi, \(A\) ise asimetri katsayısıdır. Parite korunsaydı \(A\) sıfır çıkmalıydı.

Washington’da, bir kelvin’in yüzde biri

Lee, bu deneyi yapabilecek tek kişinin Wu olduğunu biliyordu. Wu da ilk anda durumun ciddiyetini kavradı; 1956 ilkbaharında planladığı yurtdışı seyahatini ertelediğini, kocasını gemiyle tek başına gönderdiğini anlatan anılar vardır. Zor kısım şuydu: kobalt-60 çekirdeklerini hizalamak için örneği aşırı düşük sıcaklığa, bir kelvin’in yüzde biri mertebesine soğutmak ve güçlü bir manyetik alanda tutmak gerekiyordu. Columbia’nın o yıllarda bunun için ekipmanı yoktu. Wu, Washington’daki Ulusal Standartlar Bürosu’nda (NBS) düşük sıcaklık uzmanı Ernest Ambler ve ekibiyle ortak çalışmaya karar verdi.

Deney, adyabatik demanyetizasyon yöntemine dayanıyordu: paramanyetik bir tuzun manyetik alanını kapatınca tuz soğur, ona bağlı kobalt çekirdekleri de hizalı kalır. Kristalin yüzeyine yerleştirilen kobalt-60 çekirdekleri beta bozunumuyla elektron yayıyordu. İki sayaç, biri çekirdeklerin spin yönünde, diğeri ters yönde, elektronları saydı. Ama kristal ısındıkça hizalanma bozuluyor ve ölçüm birkaç dakika içinde anlamsızlaşıyordu; bütün deney, o birkaç dakikalık pencerede yapılmak zorundaydı. Üstelik küçük bir ısınma ya da manyetik alandaki hata, yapay bir asimetri üretebilirdi. Wu bu yüzden aylarca her olası hata kaynağını teker teker eledi.

Aralık 1956’nın sonlarında, hizalanma ısındıkça kaybolurken, asimetri de onunla birlikte kayboldu; sayaçlar tam olarak beklenmesi gereken tutarlılıkla davranıyordu. Elektronlar, çekirdeğin spininin tersi yönde, çok daha sık çıkıyordu. Bu, pariteyi çökertmek için fazlasıyla yeterliydi. Ekip sonucu hemen duyurmadı; önce kontrol deneyleriyle sınadı. Haber, Ocak 1957’de Columbia’daki o basın toplantısında duyuruldu ve kısa sürede dünya basınına yayıldı.

Nobel: iki isim, bir eksik

Sonuç öylesine sarsıcıydı ki Lee ve Yang 1957 Nobel Fizik Ödülü’nü, fikrin üzerinden bir yıl bile geçmeden aldı. Wu ödülün dışında kaldı. Bu, Nobel tarihinde en çok tartışılan ihmallerden biri olarak anılır; Fizik camiasında birçok kişi bunu bir adaletsizlik olarak görür. Yıllar sonra aldığı ödüller bu eksikliği kısmen dengeledi: Ulusal Bilim Madalyası (1975), Wolf Fizik Ödülü (1978, bu ödülü alan ilk kadın), Amerikan Fizik Derneği’nin ilk kadın başkanlığı (1975).

Parite sonrası: kuantum dolanıklık ve orak hücre

Wu’nun mirası yalnızca parite ihlaliyle sınırlı değil. 1950’de, öğrencisi Irving Shaknov ile birlikte pozitronyum annihilasyonunda ortaya çıkan iki gama fotonunun polarizasyonlarını ölçtü; iki fotonun polarizasyonları arasındaki ilişki kuantum mekaniğinin öngördüğü gibiydi. Bu, kuantum dolanıklığın laboratuvarda ölçülen ilk örneklerinden biri olarak bugün tarih kitaplarında anılıyor; Wu ve Shaknov o zaman bunu “dolanıklık” kavramıyla anmamıştı, ama deneyin sonradan gelen Bell testleri için önemi büyüktü.

1960’larda Wu, beta bozunumunun “korunan vektör akımı” (CVC) hipotezini sınadı ve Feynman ile Gell-Mann’ın önerdiği fikri deneyle doğruladı. Ömrünün son döneminde ise hemoglobinin yapısını ve orak hücre anemisini araştırdı; çekirdek fiziğinin yöntemlerini biyolojiye taşımaktan çekinmedi. Öğrencileri ona büyük bir saygıyla “Madame Wu” derdi. Basın ise ona zaman zaman “Çin’in Marie Curie’si” ve “fiziğin ilk hanımı” dedi; hiçbir unvanı da tam anlamıyla kabul etmedi.

İki kültür arasında

Wu, hayatı boyunca iki ülkenin arasındaydı. Çin’de büyümüş, Amerika’da kariyer yapmış, 1949’dan sonra uzun yıllar ailesine ulaşamamıştı. Yıllar sonra, 1973’te Çin’i yeniden ziyaret edebildi. Çin’in fizik camiasını kurmaya yardımcı oldu, ama doğduğu ülkeye geri dönmeyi tercih etmedi.

16 Şubat 1997’de New York’ta öldü. Daha sonra külleri, babasının kurduğu okulun bulunduğu kasabaya, doğduğu yere götürüldü. Bugün fizik derslerinde “Wu deneyi” dediğimizde, bir kadının, bir laboratuvarda, bir kristali sıfıra yakın bir sıcaklıkta tutmaya çalışarak evrenin simetrisini sorguladığı o birkaç dakikalık pencereyi hatırlamamız gerekir.

Kaynaklar: C. S. Wu, E. Ambler, R. W. Hayward, D. D. Hoppes, R. P. Hudson, “Experimental Test of Parity Conservation in Beta Decay”, Physical Review 105, 1413 (1957); T. D. Lee ve C. N. Yang, “Question of Parity Conservation in Weak Interactions”, Physical Review 104, 254 (1956); Smithsonian Kurumu Arşivleri ve Columbia Üniversitesi fizik bölümü arşivleri; Noyes, Wu biyografileri.