β 衰变中宇称守恒的实验检验
冷却的钴揭示:自然在镜中并不相同——弱力能分辨左右。
人人都以为,宇宙分不清自己的左和右。1957 年,一场缜密的实验证明:它分得清。
核心想法
宇称,说的是自然具有镜像对称——任何过程,从镜子里看,也依然遵循同样的物理定律。对大多数物理而言,这是成立的。可在四种基本力之中,有一种——主管某些放射性的「弱」力——却从来没有人真正检验过。
吴健雄去检验了。她取来钴-60,一种放射性金属,它的原子核像小陀螺一样自旋;她把这些自旋全都排向同一个方向,再看原子核朝哪一边吐出电子。电子更偏向相对于自旋的某一个方向射出——并不均匀。而这场实验的镜像,会显示它们偏向另一边。于是,真实世界与它的镜中倒影,是可以分辨的:自然,终究分得清左右。
它是如何诞生的
1956 年,粒子物理学家被一个谜题卡住了:两个看上去处处相同的粒子,衰变所得的末态却像是互为镜像。两位年轻的理论家,李政道与杨振宁,提出了一个大胆的设想——也许人人都倚赖的那个假设,即弱力尊重镜像对称,根本就从未被检验过。
他们找到了吴健雄,那个时代首屈一指的 β 衰变实验家。她推迟了筹划已久的旅行,与国家标准局的低温研究组联手——后者能把她的钴冷却到距绝对零度仅几千分之一度,冷到足以把自旋的原子核稳稳地排成一列。到 1957 年 1 月,这个不对称已无可置疑,这一发现震动了物理界。那一年的诺贝尔奖授予了提出设想的李政道与杨振宁;而用实验证明了它的吴健雄,却未在其列——这一遗漏,至今仍有争议。
它为何重要
一条物理学家曾默默信赖、几乎与能量守恒并列的对称,竟在一种基本力上被发现是错的。这迫使人们重写弱力的运作方式,并直接哺育了今天把弱力与电磁力统一起来的现代理论。它也开启了一个更深的问题:如果宇宙能分辨左右,那么它表面上的对称,还有多少其实只是近似?
一个可以想象的画面
想象一只会发射小弹丸的陀螺。如果它沿着自转轴,向上和向下射出的弹丸一样多,那这一幕在镜子里看起来便毫无二致。而吴健雄的钴原子核,是一些向下——也就是逆着自旋——射出的弹丸,比向上更多的陀螺。现在把它举到镜前:倒影里,会是向上的弹丸更多。影片与它的镜像不再吻合,就像真实的时钟与镜中的时钟,指针朝着相反的方向走。这一处不吻合,就是宇称破坏。
它的位置
宇称曾与能量、动量守恒并肩,是物理学中不容置疑的对称之一。吴健雄的实验,在弱力这里把它打落,正如后来的研究会一点点削去其他对称——包括 1964 年发现的 CP 破坏,它开始解释:为什么宇宙是由物质、而非反物质构成的。它与贝尔后来对量子实在的检验同属一个二十世纪的故事:那些关于「世界本应如何」的珍视假设,最终都由实验来裁决。
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.