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物理學 1957

β 衰變中宇稱守恆的實驗檢驗

吳健雄、E. 安布勒、R. W. 海沃德、D. D. 霍普斯 與 R. P. 哈德森

冷卻的鈷揭示:自然在鏡中並不相同——弱力能分辨左右。

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In depth · the introduction

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。

一個可互動的 β 衰變示意圖:一個鈷原子核,自旋箭頭朝上,電子的分佈瓣多偏向自旋的反方向;虛線一瓣是指向另一邊的鏡像。滑桿設定核取向 P 與電子速度 v/c;取向為零時,兩瓣便成為相等的圓。

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。

The original document
Original source text
C. S. Wu, E. Ambler, R. W. Hayward, D. D. Hoppes & R. P. Hudson · Physical Review 105 (1957): 1413–1415 · received January 15, 1957
The hypothesis under test
Months earlier, Lee and Yang had pointed out that parity — invariance under spatial inversion, the idea that nature does not distinguish left from right — had been verified for the strong and electromagnetic forces but never actually tested for the weak interaction responsible for beta decay. They proposed a direct test: align the spins of radioactive nuclei and ask whether the electrons come out symmetrically along and against that spin.
The experiment
Cobalt-60 was incorporated into a single crystal of cerium magnesium nitrate and cooled by adiabatic demagnetization to about 0.003 K, where a small magnetic field could line up the nuclear spins. The radioactive layer was kept extremely thin (~0.002 inch) so the beta electrons could escape, an anthracene scintillator counted them along the spin axis, and the anisotropy of the two emitted gamma rays measured how well the nuclei stayed aligned.
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.
The result
A pronounced asymmetry appeared: more electrons were emitted opposite to the nuclear spin than along it. As the crystal slowly warmed over about eighteen minutes and the alignment was lost, the asymmetry faded in step — its own built-in control. Parity is not conserved in the weak interaction.
[ … ]
National Bureau of Standards, Washington · received January 15, 1957