中學(xué)生可以讀懂的宇稱不守恒和吳氏實驗

來源 | 返樸

撰文 | 董唯元

關(guān)于宇稱不守恒和吳健雄實驗，網(wǎng)絡(luò)中流傳著大量的誤解。

前幾天在群中閑聊時忽然遇到有人質(zhì)疑弱作用宇稱不守恒，理由是吳健雄那個著名的實驗中并沒有提供真正的鏡像對稱條件。 我本想隨手找些靠譜的說明直接轉(zhuǎn)到群里，卻意外地發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上充斥著各種類似的誤解，甚至連維基百科“吳氏實驗”詞條的中文頁面也提供著誤導(dǎo)性的內(nèi)容。

這張維基百科頁面上的圖表述得含糊不清，網(wǎng)絡(luò)上的許多誤解正是由此而生。遺憾的是，雖然也有內(nèi)行發(fā)聲糾正，但動輒拋出量子場論和各種數(shù)學(xué)語言的講解很難在足夠大的范圍內(nèi)消除誤會。所以我決定自己寫一篇幾乎零公式版本的介紹。

所謂宇稱，就是鏡像。所謂宇稱守恒，就是我們這個宇宙的鏡像版本，應(yīng)該擁有完全相同的物理定律。對牛頓力學(xué)和麥克斯韋方程組來說，也的確如此。下圖的左側(cè)是真實世界，右側(cè)是鏡子中的世界。

從上圖中可以看出，如果從真實世界向鏡像的世界遷移理論，那么力、加速度、距離、動量這些矢量，都擁有相同的變換規(guī)律，而角動量和自旋的變換規(guī)律有所不同。也許有讀者已經(jīng)忘了什么是矢量叉乘，沒關(guān)系。既然承諾了零公式，我就只用圖像來說明問題。

這個示意圖至少能夠說明那些轉(zhuǎn)動軸垂直于鏡面的轉(zhuǎn)動，在鏡子里的像也具有同樣的轉(zhuǎn)動方式。當(dāng)然量子自旋并不是真的像地球自轉(zhuǎn)那樣的運動，只是一種跟角動量性質(zhì)相同的內(nèi)稟屬性。在本文所涉及的話題中，就權(quán)當(dāng)是粒子的自轉(zhuǎn)也完全不影響理解。

下面來看一個自轉(zhuǎn)軸垂直于鏡面，而且向鏡面運動的某個粒子。我們把自旋方向與運動方向相同的粒子叫作右手粒子，兩者方向相反的叫作左手粒子。那么很容易看出，兩者互為鏡像關(guān)系。

理解了基本粒子的手性，我們就可以談?wù)撟匀唤缰衅嫣氐挠罘Q不守恒現(xiàn)象了。按照樸素的直覺認(rèn)識，任何基本粒子都應(yīng)該既有右手性的，也有左手性的，因為自旋方向跟整體運動方向，二者之間不應(yīng)該存在任何影響。

自然界中也確實存在兩種手性的光子、電子等基本粒子。然而神奇的是，我們從來沒有看到過右手的中微子，所有中微子都是左手的。相應(yīng)的，所有反中微子都是右手的，從沒有出現(xiàn)過左手的。這個古怪的現(xiàn)象，就是宇稱不守恒的體現(xiàn)。

那么吳健雄的實驗又是如何驗證這一結(jié)論的呢？其實核心原理只有一條，就是利用鈷60在β衰變過程中的角動量守恒。鈷60經(jīng)過一次β衰變可以變成鎳60，同時放出一個電子和一個反中微子。在強磁場下，鈷60的總自旋數(shù)是5，鎳60的總自旋數(shù)是4，那么根據(jù)角動量守恒，剩余的自旋數(shù)1肯定要攤派到放出的電子和反中微子身上。

電子和中微子都是費米子，也就是自旋為±?的粒子。經(jīng)過簡單的湊數(shù)計算就知道，這兩個粒子在反應(yīng)后肯定各具?的自旋數(shù)。

請注意，在吳氏實驗中，強磁場只是極化了角動量的方向，對運動方向不會產(chǎn)生限制，因此衰變所放出的電子和反中微子，應(yīng)該與鈷60的極化方向 （也就是磁場方向） 無關(guān)。這里唯一的限制就是因動量守恒，電子和反中微子應(yīng)該沿相反方向運動。如果衰變過程遵循宇稱守恒，在這個實驗設(shè)定中，在沿磁場方向和相反方向應(yīng)該都能夠監(jiān)測到等量的β射線，也就是電子流。下圖畫出了兩種都應(yīng)該出現(xiàn)的可能。

可是實驗結(jié)果顯示，只能在鈷60極化方向相反的方向上監(jiān)測到電子，這就說明自然界中存在著限制機制，只允許出現(xiàn)右手反中微子，禁止出現(xiàn)左手反中微子。

這就是著名的吳氏實驗所驗證的宇稱不守恒。

回到本文開頭提到的維基百科頁面上的錯誤圖示，那張圖的一個小錯誤是沒有標(biāo)明鈷60的極化方向；更重要的錯誤是，宇稱守恒情況下的β射線方向應(yīng)該是等概率地包括上下兩個方向。如果實驗只監(jiān)測到與磁場方向相反的β射線這件事，就已經(jīng)證明了宇稱守恒被破壞，根本不需要再將螺線管倒轉(zhuǎn)進(jìn)行對比。所以正確的原理性示意圖應(yīng)該畫成下面這個樣子。

當(dāng)然實際操作中存在各種干擾因素，不能保證所有的鈷60都沿磁場方向極化到最大，所以出于現(xiàn)象驗證的目的，實際操作中還是反轉(zhuǎn)了磁場方向。但是這種操作并不屬于實驗的基本原理，像維基百科那樣不清不楚地畫在原理圖中，就會引起誤解。

本文希望澄清的內(nèi)容至此已經(jīng)說完了，最后還想做一點小小的題外延伸。

想象某甲同學(xué)端坐在自己的參照系里，看到面前一個右手電子 （自旋方向與運動方向相同） 正在遠(yuǎn)離自己向前飛行。同時另一位某乙同學(xué)以大于電子飛行的速度在追趕電子，那么在乙的參照系中，這個電子就變成了左手電子 （自旋方向與運動方向相反） 。

可見，電子這種飛行速度比較慢的粒子，其手性是參照系相關(guān)的，不存在絕對意義上的左手或右手電子。然而對光子或者其他零質(zhì)量粒子來說，情況就不同了。零質(zhì)量粒子以光速運動，而光速是速度上限，沒有參照系能看到反轉(zhuǎn)的手性。

理解了這些，我們再回頭看中微子身上的宇稱不守恒現(xiàn)象，立刻會得出結(jié)論，中微子的質(zhì)量必須為零。否則它就不會擁有絕對意義的手性，自然也就不可能帶來手性缺失現(xiàn)象。現(xiàn)在的基本粒子標(biāo)準(zhǔn)模型理論中，中微子確實被作為零質(zhì)量粒子看待。然而中微子振蕩現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，暗示中微子有可能擁有一個非常微小但不為零的質(zhì)量。因此要解釋它的質(zhì)量來源，需要超越標(biāo)準(zhǔn)模型，倘若其機制能被證實，難以想象會給現(xiàn)有理論帶來多么大的沖擊。