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Novo selo USPS celebra o físico Chien-Shiung Wu, a 'primeira-dama' da física

Chien-Shiung Wu, uma das maiores físicas experimentais da história, é homenageada em 11 de fevereiro de 2021 com a estreia de um novo selo para sempre com sua imagem. Wu descobriu experimentalmente violação de paridade, violação de conjugação de carga e muitos outros fenômenos da física nuclear de seu laboratório na Universidade de Columbia. (SERVIÇO POSTAL DOS ESTADOS UNIDOS)

De todas as injustiças na história do Prêmio Nobel, seu desprezo Nobel de 1957 é o mais flagrante.

Uma das maiores revoluções científicas do século 20 foi a descoberta da física quântica. Nas menores escalas, a natureza não se comportou como as leis clássicas da gravidade e do eletromagnetismo previam, mas começou a exibir fenômenos bizarros que obedeciam claramente a um novo conjunto de regras. À medida que nos aprofundávamos na estrutura da matéria, descobrimos o núcleo atômico, composto de prótons e nêutrons, e toda uma infinidade de outras partículas – conhecidas hoje como bárions e mésons – que são feitas dos mesmos tipos de partículas subatômicas que formam prótons e nêutrons: quarks e glúons.

Mas não era apenas a estrutura da matéria e as regras que são diferentes entre os mundos quântico e clássico, mas também a natureza das simetrias. Classicamente, vemos que a matéria e a luz obedecem às mesmas leis da física, quer você inverta as direções da mesma forma que um espelho, quer substitua partículas por antipartículas (e vice-versa), ou faça o relógio avançar ou retroceder. Mas no mundo quântico, sob as condições certas, tudo isso pode ser violado. Em 11 de fevereiro de 2021, as homenagens do USPS o primeiro físico a demonstrar experimentalmente que uma dessas simetrias é violada: Chien-Shiung Wu . Indiscutivelmente, ela é o físico mais merecedor de nunca ganhar um Prêmio Nobel . Aqui está a história científica de por que o que ela fez importava tanto.

Ao examinar esta imagem estroboscópica de uma bola quicando, você não pode dizer com certeza se a bola está se movendo para a direita e perdendo energia a cada quique, ou se está se movendo para a esquerda e recebendo um chute enérgico a cada quique. As leis da física são simétricas sob transformações de reversão no tempo, e as equações de movimento fornecerão duas soluções (positivas e negativas) para qualquer trajetória que você possa derivar. Somente impondo restrições físicas podemos saber qual das duas produz a resposta correta. (WIKIMEDIA COMMONS USERS MICHAELMAGGS E (EDITADO POR) RICHARD BARTZ)

Em nosso mundo clássico – o mundo macroscópico e cotidiano que descreve nossas experiências comuns – as leis que governam a natureza não parecem se importar com uma grande variedade de propriedades. As leis da física aqui são as mesmas que as leis da física em qualquer outro lugar; isso significa que eles são invariáveis ​​(eles não mudam) em traduções espaciais. As leis da física também são as mesmas agora como em qualquer outro momento; isso significa que eles são invariantes de tradução no tempo. Eles também são invariáveis ​​sob impulsos, o que significa que você pode se mover na velocidade que quiser e as leis são as mesmas, o que é um componente chave da relatividade.

Mas as três simetrias sobre as quais falamos anteriormente têm nomes, e todas (hoje) são conhecidas por serem violadas por uma e apenas uma força da natureza, a força fraca. Em particular, essas simetrias são:

• Simetria de paridade (P) : onde você reflete seu sistema em um espelho e vê se ele obedece às mesmas regras.
• Simetria de conjugação de carga : onde você substitui cada partícula por sua contraparte antipartícula e cada antipartícula por sua contraparte de partícula.
• Simetria de reversão de tempo (T) : onde ao invés de rodar o relógio para frente, você roda para trás, verificando se as regras são as mesmas.

Na imagem acima, você não pode dizer se a bola está se movendo para a direita e perdendo energia a cada quique, ou se movendo para a esquerda e sendo chutada para energias mais altas a cada quique. As leis são as mesmas para a frente e para trás.

Existem muitas letras do alfabeto que apresentam simetrias particulares. Observe que as letras maiúsculas mostradas aqui têm uma e apenas uma linha de simetria; letras como I ou O têm mais de um. Essa simetria de 'espelho', conhecida como Paridade (ou P-simetria), foi verificada para todas as interações fortes, eletromagnéticas e gravitacionais, sempre que testadas. No entanto, as interações fracas ofereceram uma possibilidade de violação de paridade. A descoberta e confirmação disso valeu o Prêmio Nobel de Física de 1957. (MATH-ONLY-MATH.COM)

Mas assim como algumas das 26 letras maiúsculas do alfabeto inglês obedecem à simetria de paridade e outras não, é possível que algumas das leis da física também não obedeçam a essa simetria. No entanto, a partir da década de 1920, a paridade parecia ser conservada em todos os experimentos de física já realizados. Quando qualquer objeto cai em um campo gravitacional, seja terrestre ou celestial, a paridade é conservada. Quando um elétron absorve ou emite um fóton, a paridade é conservada. E quando quaisquer partículas colidem, se espalham, combinam ou explodem, a paridade ainda é conservada.

No entanto, de vez em quando, uma partícula instável sofrerá um decaimento radioativo. Esta não é uma interação gravitacional ou eletromagnética, mas um tipo totalmente novo de força em exibição: as forças nucleares. Acontece que existem dois tipos de força nuclear:

• a força nuclear forte, que mantém prótons, nêutrons e todas as partículas contendo quarks juntos,
• e a força nuclear fraca, que permite que um tipo de quark se transmute em um tipo diferente de quark, às vezes envolvendo léptons/antiléptons ou quarks/antiquarks adicionais também.

Compreender quais forças estão em jogo em quais interações nos ensina o que devemos esperar que ocorra.

Um decaimento alfa é um processo em que um núcleo atômico mais pesado emite uma partícula alfa (núcleo de hélio), resultando em uma configuração mais estável e liberando energia. Isso ocorre devido a uma combinação da força nuclear forte e da força eletromagnética, mas não altera o conteúdo dos quarks dentro dos núcleos. O decaimento alfa é o decaimento radioativo mais comum na natureza. (LABORATÓRIO DE FÍSICA NUCLEAR, UNIVERSIDADE DE CHIPRE)

Existem três classes fundamentais de decaimento radioativo (tecnicamente há mais, mas isso é bom o suficiente para nossos propósitos), e elas dependem da interação de diferentes forças para conduzir esses decaimentos.

1. Decaimento alfa : este é o tipo mais comum de decaimento radioativo e ocorre quando um núcleo pesado e instável cospe uma partícula alfa, que na verdade é um núcleo de hélio-4, feito de dois prótons e dois nêutrons. Esse decaimento ocorre como uma combinação da força nuclear forte (que faz com que prótons e nêutrons se atraem a distâncias muito curtas) e a força eletromagnética (onde cargas semelhantes se repelem), onde os produtos são mais estáveis ​​energeticamente do que o núcleo inicial.
2. Decaimento beta : o segundo tipo mais comum de decaimento radioativo, isso normalmente ocorre quando um quark down - o segundo quark mais leve no Modelo Padrão - decai em um quark up, produzindo um elétron e um neutrino antielétron no processo. Este é um decaimento que opera puramente através da interação fraca, e antes dos quarks serem descobertos, era entendido como um nêutron se transmutando em um próton, liberando um elétron e faltando energia até o (anti-)neutrino ser descoberto em 1956.
3. Decaimento gama : este é um decaimento puramente eletromagnético e ocorre quando um núcleo pesado e instável reorganiza as partículas no interior, emitindo um fóton de alta energia e desexcitando o núcleo para um estado de energia mais baixo.

Os decaimentos alfa e gama sempre conservam a paridade, mas os decaimentos beta não.

Ilustração esquemática do decaimento beta nuclear em um núcleo atômico maciço. O decaimento beta é um decaimento que prossegue através das interações fracas, convertendo um nêutron em um próton, elétron e um neutrino anti-elétron. Antes que o neutrino fosse conhecido ou detectado, parecia que tanto a energia quanto o momento não eram conservados nos decaimentos beta. (WIKIMEDIA COMMONS USER INDUCTIVELOAD)

Esta era a área de especialidade de Chien-Shiung Wu: o estudo do decaimento beta em física nuclear. Originalmente planejando emigrar da China para os Estados Unidos para estudar na Universidade de Michigan (onde havia sido aceita), Wu visitou a UC Berkeley em San Francisco, onde seu navio chegou em 1936. Depois de visitar o laboratório de radiação lá - e depois de ouvir uma história sobre mulheres sendo incapazes de usar a entrada da frente na Universidade de Michigan — Wu escolheu estudar em Berkeley. Trabalhando com Ernest Lawrence e Emilio Segrè, ela se formou em 1940, trabalhando em vários aspectos da física nuclear e no que hoje chamaríamos de física de partículas.

Frustrada com sua incapacidade de encontrar um cargo de professor em uma universidade, ela permaneceu em Berkeley como pós-doutoranda por alguns anos, finalmente conseguindo um emprego de professor no Smith College, apenas para mulheres. Novamente frustrada, por não ter oportunidades de pesquisa, ela se juntou ao Projeto Manhattan na Universidade de Columbia em 1944. Embora sua tarefa fosse desenvolver instrumentos para detectar radiação, ela foi contatada sobre um inesperado e repetido desligamento do reator nuclear. A pesquisa de Wu sob Segrè, envolvendo propriedades radioativas do xenônio-135 – que sofre decaimento beta – foi a chave para entender por que o reator estava sendo desligado: o isótopo, produzido pela fissão nuclear, era um excelente absorvedor de nêutrons.

O rascunho ainda não publicado do artigo de Wu desvendou a solução para o problema e ajudou Wu a conseguir uma posição permanente como professor de pesquisa na Columbia após o fim da Segunda Guerra Mundial.

A Dra. Chien-Shiung Wu, é mostrada em seu laboratório na Universidade de Columbia em Nova York, junto com o aparato que foi usado para demonstrar a ideia teórica de uma corrente vetorial conservada. Esse trabalho inovador, instrumental na formação do Modelo Padrão, foi, sem dúvida, apenas o terceiro resultado mais impactante obtido na carreira de Wu. (ARQUIVO BETTMANN)

Na década de 1950, dois físicos teóricos - Tsung-Dao Lee, um amigo de Wu, e Chen Ning Yang - estavam intrigados com duas partículas diferentes que pareciam idênticas em todos os aspectos, exceto uma: Theta (Θ) e Tau (τ). partículas. Eles tinham a mesma massa, a mesma carga, o mesmo spin e o mesmo tempo de vida. Eles tinham uma propriedade que chamávamos de estranheza na época; hoje entendemos que significa que cada uma dessas partículas continha um quark estranho. Mas a única diferença foi significativa:

• a partícula Θ sempre decaiu em dois píons, um positivo e um neutro,
• enquanto a partícula τ sempre decaiu em três píons, dois positivos e um negativo.

Isso levantou uma grande questão: eles eram a mesma partícula ou não?

O problema é que a paridade é um número quântico multiplicativo e a paridade de um píon é -1. Se você decair em dois píons, sua paridade deve ser +1, porque (-1)² é igual a +1. Mas se você decair em três píons, sua paridade deve ser -1, porque (-1)³ é igual a -1. Isso levou Lee e Yang a apresentar a ideia de que talvez, para as interações fracas, a paridade não fosse conservada. Mas seria preciso um experimento dedicado para provar isso – afinal, ninguém sabia se Θ e τ eram a mesma partícula ou não – e foi aí que Wu entrou.

Chien-Shiung Wu, à esquerda, teve uma carreira notável e distinta como físico experimental, fazendo muitas descobertas importantes que confirmaram (ou refutaram) uma variedade de importantes previsões teóricas. No entanto, ela nunca recebeu um Prêmio Nobel, mesmo quando outros que fizeram menos do trabalho foram indicados e escolhidos antes dela. (ACC. 90–105 - SERVIÇO DE CIÊNCIA, REGISTROS, 1920S-1970S, ARQUIVOS DA INSTITUIÇÃO SMITHSONIAN)

Wu decidiu preparar uma amostra de cobalto-60, um isótopo radioativo de cobalto que sofre decaimento beta, transmutando-se em níquel. A ideia de Wu foi brilhante, porque ela percebeu que os núcleos de cobalto têm um giro e que, ao alavancar duas técnicas separadas, ela poderia fazer todos os giros se alinharem. Primeiro, ela resfriou o cobalto a temperaturas criogênicas muito baixas, o que reduz suas vibrações térmicas a quantidades insignificantes. Então, ainda naquelas temperaturas ultrabaixas, ela aplicou um campo magnético grande, constante e uniforme a elas.

Normalmente, suas colisões, vibrações e outros efeitos térmicos que fazem com que os spins dos núcleos atômicos sejam aleatórios. Assim, as baixas temperaturas impedem que isso ocorra, enquanto o grande campo magnético faz com que os spins de cada núcleo se alinhem.

Por que isso é importante?

Você pode ilustrar isso com a mão esquerda. Aponte o polegar para cima e enrole os dedos. Observe que, se você olhar para o polegar, seus dedos parecem apontar no sentido horário. Se a partícula então decair, esse eixo de rotação (seu polegar) ainda aponta para cima, e isso deve ser impresso nas novas partículas que emergem do decaimento. Isso é fundamentalmente diferente de usar a mão direita, que é a imagem espelhada da mão esquerda.

A paridade, ou simetria-espelho, é uma das três simetrias fundamentais no Universo, juntamente com a simetria de reversão de tempo e conjugação de carga. Se as partículas giram em uma direção e decaem ao longo de um eixo específico, lançá-las no espelho deve significar que elas podem girar na direção oposta e decair ao longo do mesmo eixo. Observou-se que este não era o caso dos decaimentos fracos, a primeira indicação de que as partículas poderiam ter uma “mão de mão” intrínseca, e isso foi descoberto por Chien-Shiung Wu. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Se a paridade for conservada, então as partículas devem se comportar igualmente destros e canhotos, sem preferência por um ou outro. Afinal, simetria de paridade significa simetria de espelho, e qualquer coisa que uma partícula canhota faria neste mundo, a versão destra faria no espelho.

O que Lee e Yang previram, se a paridade fosse violada, era que o decaimento seria assimétrico: os produtos de decaimento do cobalto-60 ocorreriam preferencialmente de uma maneira que se preocupasse com a direção em que seus eixos de rotação estivessem alinhados, e que a natureza exibiria um assimetria. Por outro lado, se eles estivessem errados e a paridade fosse conservada, os decaimentos seriam simétricos, e alinhar os spins em uma direção produziria resultados idênticos ao alinhá-los na direção oposta.

Na física – e isso vale a pena enfatizar – a única maneira de descobrir como a natureza realmente se comporta é realizar um experimento decisivo ou fazer um conjunto decisivo de observações. Só desvendamos os segredos da natureza fazendo perguntas ao Universo sobre si mesmo. Não importa quão certas sejam as previsões de seus cálculos teóricos, você deve confrontar suas ideias e hipóteses com dados obtidos do mundo real.

O Prêmio Nobel de Física de 1957 foi concedido aos dois teóricos, Lee e Yang, que previram que as interações fracas exibiriam violações de paridade. Eles foram a Wu em 1956 e perguntaram se ela poderia projetar e realizar um experimento decisivo, o que ela fez, e mesmo assim ela foi totalmente excluída do Prêmio Nobel. Mesmo o comunicado de imprensa da fundação Nobel não incluiu uma única menção a ela. (NOBEL MÍDIA AB 2019)

O experimento de Wu foi um sucesso, ou seja, ela conseguiu detectar se as partículas foram emitidas de forma assimétrica (e a paridade é violada) ou simetricamente (e a paridade é conservada). Para surpresa de muitos, ela não apenas estabeleceu que a paridade é violada, mas que é violada praticamente na quantidade máxima: quase 100% das partículas mostraram preferência por serem emitidas ao longo do eixo de rotação do núcleo original de cobalto-60. Voltando à pergunta original sobre Θ e τ, eles foram de fato determinados como sendo a mesma partícula: hoje é conhecido como o kaon .

De muitas maneiras, essa descoberta marcou o início do que acabaria se tornando o Modelo Padrão de hoje da física de partículas elementares. O trabalho foi tão importante que Prêmio Nobel de Física de 1957 foi premiado pela investigação de leis de paridade que levaram a importantes descobertas sobre partículas elementares. O prêmio, limitado a três pessoas, foi concedido em conjunto a Chen Ning Yang e Tsung-Dao Lee, sem nenhuma menção a Wu. Na verdade, o papel de Wu na descoberta da violação da paridade – ela foi literalmente aquela que a determinou experimentalmente – não foi honrado publicamente por nenhuma grande organização profissional até o Prêmio Lobo foi fundada em 1978, que foi projetada especificamente para ser concedida a cientistas e artistas vivos que mereciam, mas não receberam, o Prêmio Nobel.

Chien-Shiung Wu, na frente, junto com outros cinco ganhadores de diplomas honorários de Harvard em sua cerimônia de formatura em 1974. Wu foi um dos maiores físicos experimentais da história, fazendo muitas contribuições importantes para o campo da física. Sua omissão do Prêmio Nobel de Física de 1957 continua sendo uma das maiores injustiças da história do prêmio. (ARQUIVO BETTMANN)

Depois de seu trabalho histórico sobre a violação da paridade, Wu continuou uma carreira notável. Ela confirmou experimentalmente a hipótese da Corrente Vetorial Conservada; ela provou que a simetria de conjugação de carga também foi violada nas interações fracas; ela foi a primeira a obter resultados de experimentos envolvendo fótons emaranhados relacionados ao paradoxo de Einstein-Podolsky-Rosen.

Wu também era uma ativista contra o sexismo na física, só obtendo salário igual aos seus colegas homens em 1975 e muitas vezes era mal tratada como Professor Yuan, o nome de seu marido, que ela sempre corrigia informando que ela era Professora Wu. A certa altura, em um simpósio no MIT, ela perguntou ao público, eu me pergunto se os minúsculos átomos e núcleos, ou os símbolos matemáticos, ou as moléculas de DNA, têm alguma preferência por tratamento masculino ou feminino?

Se Wu tivesse sido justamente agraciada com o Prêmio Nobel em 1957 junto com Lee e Yang, ela teria sido apenas a segunda mulher na época a ganhar o prêmio, depois de Marie Curie. Embora seja tarde demais para corrigir esse erro, agora podemos celebrar sua vida, seu trabalho e seu legado toda vez que enviamos uma carta pelo Serviço Postal dos Estados Unidos . Que todos nós desejamos felicitações póstumas a Chien-Shiung Wu: a Primeira Dama da Física.

Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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