关于宇称不守恒和吴健雄实验,⽹络中流传着⼤量的误解。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”词条的中⽂⻚⾯也提供着误导性的内容。这张维基百科⻚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。
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。对⽜顿⼒学和⻨克斯⻙⽅程组来说,也的确如此。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,⽽⻆动量和⾃旋的变换规律有所不同。
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。
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衰变过程中的⻆动量守恒。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,那么根据⻆动量守恒,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。
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⻚⾯上的错误图示,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。
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正在远离⾃⼰向前⻜⾏。同时另⼀位某⼄同学以⼤于电⼦⻜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。可⻅,电⼦这种⻜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。