1956 年12 月27 日：宇稱守恆(Parity Conservation)的推翻

1956 年12 月27 日：宇稱守恆(Parity Conservation)的推翻
高瞻計畫特約編譯蕭如珀、臺灣大學物理系楊信男 編譯/國立臺灣大學化學系陳竹亭教授 責任編輯

在物理學，「對稱性」長久以來都扮演著關鍵性的角色，自從 1925 年以來，科學家就一直認為我們的世界和鏡子內的影像是無法區別的—即為人所知的宇稱守恆的觀念，而主要的理論也印證了此假設。

宇稱守恆和能量、動量與電荷守恆等最基本的物理法則一樣，在物理方面都享有極高的地位，一直到 1956 年美國國家標準局（現在的美國國家標準與科技研究院）進行了一系列重要的試驗後才改觀。正如相對論一般，大自然再一次證明了它並不總是遵循著「常識」的法則。

宇稱守恆意謂著大自然是對稱的，所以向左、向右旋轉或是任何次原子粒子的另一對半都沒有差別。例如，兩個相似的放射粒子繞著一個垂直的軸朝相反的方向旋轉衰變，所放射出向上與向下質點的強度應該是相同的。雖然在強作用中有許多實驗證明宇稱守恆的成立，但在弱作用中卻從未有實驗證明其也成立。事實上，當弱作用力首度提出來解釋基本粒子的分裂時，若在當時說宇稱守恆不成立的話，似乎是令人難以置信的。

吳建雄領導的團隊在美國國家標準局做實驗時所攝

1950 年代，當高能物理學家開始觀察無法由既有理論解釋的現象時，一切都改觀了，其中最著名的是高能質子和原子核碰撞時所放射出 $$K$$ 介子的衰變。$$K$$ 介子出現在兩個完全不同的情況，可以衰變成二或三個 $$\pi$$ 介子，（它們必需有相反的宇稱），但在其他的特性上，它們似乎完全相同。

1956 年 6 月，理論物理學家楊振寧¹和李政道²寫了一短篇論文，寄到物理評論（Physical Review），提出宇稱在弱作用中是否能守恆的問題，還建議了幾個可以解答此問題的實驗。當李政道和楊振寧的論文在 1956 年刊登出來時，物理學家除了好奇外，並未有任何立即的迴響。

Freeman Dyson〈譯者註：著名的理論物理學家，任職於普林斯敦高等研究院〉後來承認說，他當時認為這篇論文很有趣，「我並無足夠的想像力說：『天啊！假如這是真的，它將為物理開啟一個全新的領域！』我認為當時的物理學家，幾乎沒有例外，都和我一樣不夠有想像力。」Richard Feynman（譯者註：1965年獲得諾貝爾物理獎）宣稱違反宇稱的想法「不太可能，也許可能性很小，是很令人興奮但可能性微乎其微，」但他後來還是和一位朋友打賭美金 50 元，說宇稱不會被推翻。

圖左的橢圓球體表示大量朝同一方向旋轉的鈷60原子核所放射出的 $$\beta$$ 射線；圖右是鏡中所見的相同過程，旋轉的方向相反，但所放射出來的大多數 $$\beta$$ 射線方向是相同的，因此鏡中的世界和真實的世界可區別出來，空間倒置後的世界和真實的世界並不完全相同；宇稱不守恆。

在所建議的實驗中，最簡單的方法之一是，以強磁場將鈷60原子核的自旋排在同一方向，然後測量它在衰變時各方向所射出 $$\beta$$ 射線的強度。

宇稱守恆成立的話，所放射出來的 $$\beta$$ 射線在兩極之間的分佈必須相同，假如有一極的 $$\beta$$ 粒子比另一極多的話，就可能區別出鏡中影像的原子核與其相對物的不同，那就等於推翻了宇稱的守恆性。

在 1956 年的聖誕節與新年期間，美國國家標準局的科學家開始著手進行 $$\beta$$ 粒子衰變的試驗，整個研究團隊由哥倫比亞大學的吳建雄教授所領導。吳教授於 1912 年誕生於中國，1940 年獲得加州大學的博士學位，第二次世界大戰期間曾參與曼哈頓計畫。1975 年，她出任美國物理學會第一位女性會長。

實驗的結果出爐後，美國國家標準局的研究團隊得到了令人驚奇的結論：$$\beta$$ 粒子在原子核旋轉的反方向所放射出的數目比較多。因此，由於 $$\beta$$ 放射線的分佈與旋轉的鈷60原子核的鏡中影像不一致，明確地證實了宇稱不守恆。

Leon Lederman 當時在哥倫比亞大學的迴旋加速器做研究，他獨立以此設備做了宇稱的測試，透過 $$\pi$$ 和 $$\mu$$ 介子的衰變，亦得到了違反宇稱的確切證據。簡而言之，大自然是一個半靈巧的左撇子，而 Feynman 賭輸了。

此結果粉碎了 $$30$$ 年來全球所接受的核子物理的基本概念，促使人們重新思考物理的理論，也因此有了全新，更深遠的發現—最顯著的是對基本粒子特性有進一步的瞭解，並對基本作用力有更完整的理論。

進一步的閱讀資料:

• S. Weinberg, Review of Modern Physics, 52, 515(1980); A. Salam, p. 525; S.L. Glashow, p. 539.

參考資料：

1. The Fall of Parity. http://physics.nist.gov/GenInt/Parity/cover.html
2. Symmetry Destroyed: The Failure of Parity. http://ccreweb.org/documents/parity/parity.html

註1：楊振寧，1922 年出生於中國，1946 年 1 月考取清華留美公費生赴美，1948 年獲得芝加哥大學的博士學位，1957 年因推翻宇稱守恆的研究與李政道同獲諾貝爾物理獎。
註2：李政道，1926 年出生於中國，1946 年 9 月考取中國公費生到美國芝加哥大學進修，畢業後和楊振寧合作研究宇稱守恆，於1957 年和楊振寧同獲諾貝爾物理獎，他當年 31 歲，是最年輕的諾貝爾獎得主。