中學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

關于宇稱不守恒和吳健雄實驗，網絡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到群里，卻意外地發現網絡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性的內容。

這張維基百科頁面上的圖表述得含糊不清，網絡上的許多誤解正是由此而生。遺憾的是，雖然也有內行發聲糾正，但動輒拋出量子場論和各種數學語言的講解很難在足夠大的范圍內消除誤會。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，應該擁有完全相同的物理定律。對牛頓力學和麥克斯韋方程組來說，也的確如此。下圖的左側是真實世界，右側是鏡子中的世界。

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律，而角動量和自旋的變換規律有所不同。也許有讀者已經忘了什么是矢量叉乘，沒關系。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動軸垂直于鏡面的轉動，在鏡子里的像也具有同樣的轉動方式。當然量子自旋并不是真的像地球自轉那樣的運動，只是一種跟角動量性質相同的內稟屬性。在本文所涉及的話題中，就權當是粒子的自轉也完全不影響理解。

下面來看一個自轉軸垂直于鏡面，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，兩者互為鏡像關系。

理解了基本粒子的手性，我們就可以談論自然界中奇特的宇稱不守恒現象了。按照樸素的直覺認識，任何基本粒子都應該既有右手性的，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。相應的，所有反中微子都是右手的，從沒有出現過左手的。這個古怪的現象，就是宇稱不守恒的體現。

那么吳健雄的實驗又是如何驗證這一結論的呢？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的總自旋數是5，鎳60的總自旋數是4，那么根據角動量守恒，剩余的自旋數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。經過簡單的湊數計算就知道，這兩個粒子在反應后肯定各具?的自旋數。

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

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

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射線方向應該是等概率地包括上下兩個方向。如果實驗只監測到與磁場方向相反的β射線這件事，就已經證明了宇稱守恒被破壞，根本不需要再將螺線管倒轉進行對比。所以正確的原理性示意圖應該畫成下面這個樣子。

當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，所以出于現象驗證的目的，實際操作中還是反轉了磁場方向。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。

本文希望澄清的內容至此已經說完了，最后還想做一點小小的題外延伸。

想象某甲同學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） 正在遠離自己向前飛行。同時另一位某乙同學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量粒子來說，情況就不同了。零質量粒子以光速運動，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象，立刻會得出結論，中微子的質量必須為零。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象?，F在的基本粒子標準模型理論中，中微子確實被作為零質量粒子看待。然而中微子振蕩現象的發現，暗示中微子有可能擁有一個非常微小但不為零的質量。因此要解釋它的質量來源，需要超越標準模型，倘若其機制能被證實，難以想象會給現有理論帶來多么大的沖擊。