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关于宇称不守恒和吴健雄实验,网络中流传着大量的误解。

撰文 | 董唯元

前几天在群中闲聊时忽然遇到有人质疑弱作用宇称不守恒,理由是吴健雄那个著名的实验中并没有提供真正的镜像对称条件。我本想随手找些靠谱的说明直接转到群里,却意外地发现网络上充斥着各种类似的误解,甚至连维基百科“吴氏实验”词条的中文页面也提供着误导性的内容。

这张维基百科页面上的图表述得含糊不清,网络上的许多误解正是由此而生。遗憾的是,虽然也有内行发声纠正,但动辄抛出量子场论和各种数学语言的讲解很难在足够大的范围内消除误会。所以我决定自己写一篇几乎零公式版本的介绍。

所谓宇称,就是镜像。所谓宇称守恒,就是我们这个宇宙的镜像版本,应该拥有完全相同的物理定律。对牛顿力学和麦克斯韦方程组来说,也的确如此。下图的左侧是真实世界,右侧是镜子中的世界。

从上图中可以看出,如果从真实世界向镜像的世界迁移理论,那么力、加速度、距离、动量这些矢量,都拥有相同的变换规律,而角动量和自旋的变换规律有所不同。也许有读者已经忘了什么是矢量叉乘,没关系。既然承诺了零公式,我就只用图像来说明问题。

这个示意图至少能够说明那些转动轴垂直于镜面的转动,在镜子里的像也具有同样的转动方式。当然量子自旋并不是真的像地球自转那样的运动,只是一种跟角动量性质相同的内禀属性。在本文所涉及的话题中,就权当是粒子的自转也完全不影响理解。

下面来看一个自转轴垂直于镜面,而且向镜面运动的某个粒子。我们把自旋方向与运动方向相同的粒子叫作右手粒子,两者方向相反的叫作左手粒子。那么很容易看出,两者互为镜像关系。

理解了基本粒子的手性,我们就可以谈论自然界中奇特的宇称不守恒现象了。按照朴素的直觉认识,任何基本粒子都应该既有右手性的,也有左手性的,因为自旋方向跟整体运动方向,二者之间不应该存在任何影响。

自然界中也确实存在两种手性的光子、电子等基本粒子。然而神奇的是,我们从来没有看到过右手的中微子,所有中微子都是左手的。相应的,所有反中微子都是右手的,从没有出现过左手的。这个古怪的现象,就是宇称不守恒的体现。

那么吴健雄的实验又是如何验证这一结论的呢?其实核心原理只有一条,就是利用钴60在β衰变过程中的角动量守恒。钴60经过一次β衰变可以变成镍60,同时放出一个电子和一个反中微子。在强磁场下,钴60的总自旋数是5,镍60的总自旋数是4,那么根据角动量守恒,剩余的自旋数1肯定要摊派到放出的电子和反中微子身上。

电子和中微子都是费米子,也就是自旋为±½的粒子。经过简单的凑数计算就知道,这两个粒子在反应后肯定各具½的自旋数。

请注意,在吴氏实验中,强磁场只是极化了角动量的方向,对运动方向不会产生限制,因此衰变所放出的电子和反中微子,应该与钴60的极化方向(也就是磁场方向)无关。这里唯一的限制就是因动量守恒,电子和反中微子应该沿相反方向运动。如果衰变过程遵循宇称守恒,在这个实验设定中,在沿磁场方向和相反方向应该都能够监测到等量的β射线,也就是电子流。下图画出了两种都应该出现的可能。

可是实验结果显示,只能在钴60极化方向相反的方向上监测到电子,这就说明自然界中存在着限制机制,只允许出现右手反中微子,禁止出现左手反中微子。

这就是著名的吴氏实验所验证的宇称不守恒。

回到本文开头提到的维基百科页面上的错误图示,那张图的一个小错误是没有标明钴60的极化方向;更重要的错误是,宇称守恒情况下的β射线方向应该是等概率地包括上下两个方向。如果实验只监测到与磁场方向相反的β射线这件事,就已经证明了宇称守恒被破坏,根本不需要再将螺线管倒转进行对比。所以正确的原理性示意图应该画成下面这个样子。

当然实际操作中存在各种干扰因素,不能保证所有的钴60都沿磁场方向极化到最大,所以出于现象验证的目的,实际操作中还是反转了磁场方向。但是这种操作并不属于实验的基本原理,像维基百科那样不清不楚地画在原理图中,就会引起误解。

本文希望澄清的内容至此已经说完了,最后还想做一点小小的题外延伸。

想象某甲同学端坐在自己的参照系里,看到面前一个右手电子(自旋方向与运动方向相同)正在远离自己向前飞行。同时另一位某乙同学以大于电子飞行的速度在追赶电子,那么在乙的参照系中,这个电子就变成了左手电子(自旋方向与运动方向相反)。

可见,电子这种飞行速度比较慢的粒子,其手性是参照系相关的,不存在绝对意义上的左手或右手电子。然而对光子或者其他零质量粒子来说,情况就不同了。零质量粒子以光速运动,而光速是速度上限,没有参照系能看到反转的手性。

理解了这些,我们再回头看中微子身上的宇称不守恒现象,立刻会得出结论,中微子的质量必须为零。否则它就不会拥有绝对意义的手性,自然也就不可能带来手性缺失现象。现在的基本粒子标准模型理论中,中微子确实被作为零质量粒子看待。然而中微子振荡现象的发现,暗示中微子有可能拥有一个非常微小但不为零的质量。因此要解释它的质量来源,需要超越标准模型,倘若其机制能被证实,难以想象会给现有理论带来多么大的冲击。

出品:科普中国

 

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返朴

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溯源守拙·问学求新。返朴,致力好科普。

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