β 衰變中宇稱守恆的實驗檢驗
冷卻的鈷揭示:自然在鏡中並不相同——弱力能分辨左右。
人人都以為,宇宙分不清自己的左和右。1957 年,一場縝密的實驗證明:它分得清。
核心想法
宇稱,說的是自然具有鏡像對稱——任何過程,從鏡子裡看,也依然遵循同樣的物理定律。對大多數物理而言,這是成立的。可在四種基本力之中,有一種——主管某些放射性的「弱」力——卻從來沒有人真正檢驗過。
吳健雄去檢驗了。她取來鈷-60,一種放射性金屬,它的原子核像小陀螺一樣自旋;她把這些自旋全都排向同一個方向,再看原子核朝哪一邊吐出電子。電子更偏向相對於自旋的某一個方向射出——並不均勻。而這場實驗的鏡像,會顯示它們偏向另一邊。於是,真實世界與它的鏡中倒影,是可以分辨的:自然,終究分得清左右。
它是如何誕生的
1956 年,粒子物理學家被一個謎題卡住了:兩個看上去處處相同的粒子,衰變所得的末態卻像是互為鏡像。兩位年輕的理論家,李政道與楊振寧,提出了一個大膽的設想——也許人人都倚賴的那個假設,即弱力尊重鏡像對稱,根本就從未被檢驗過。
他們找到了吳健雄,那個時代首屈一指的 β 衰變實驗家。她推遲了籌劃已久的旅行,與國家標準局的低溫研究組聯手——後者能把她的鈷冷卻到距絕對零度僅幾千分之一度,冷到足以把自旋的原子核穩穩地排成一列。到 1957 年 1 月,這個不對稱已無可置疑,這一發現震動了物理界。那一年的諾貝爾獎授予了提出設想的李政道與楊振寧;而用實驗證明了它的吳健雄,卻未在其列——這一遺漏,至今仍有爭議。
它為何重要
一條物理學家曾默默信賴、幾乎與能量守恆並列的對稱,竟在一種基本力上被發現是錯的。這迫使人們重寫弱力的運作方式,並直接哺育了今天把弱力與電磁力統一起來的現代理論。它也開啟了一個更深的問題:如果宇宙能分辨左右,那麼它表面上的對稱,還有多少其實只是近似?
一個可以想像的畫面
想像一隻會發射小彈丸的陀螺。如果它沿著自轉軸,向上和向下射出的彈丸一樣多,那這一幕在鏡子裡看起來便毫無二致。而吳健雄的鈷原子核,是一些向下——也就是逆著自旋——射出的彈丸,比向上更多的陀螺。現在把它舉到鏡前:倒影裡,會是向上的彈丸更多。影片與它的鏡像不再吻合,就像真實的時鐘與鏡中的時鐘,指針朝著相反的方向走。這一處不吻合,就是宇稱破壞。
它的位置
宇稱曾與能量、動量守恆並肩,是物理學中不容置疑的對稱之一。吳健雄的實驗,在弱力這裡把它打落,正如後來的研究會一點點削去其他對稱——包括 1964 年發現的 CP 破壞,它開始解釋:為什麼宇宙是由物質、而非反物質構成的。它與貝爾後來對量子實在的檢驗同屬一個二十世紀的故事:那些關於「世界本應如何」的珍視假設,最終都由實驗來裁決。
If an asymmetry in the distribution between θ and 180°−θ (where θ is the angle between the orientation of the parent nuclei and the momentum of the electrons) is observed, it provides unequivocal proof that parity is not conserved in beta decay.