巨臀 波多黎各 女神 赝标量：考据宇称不守恒实践的不雅测认识

巨臀 波多黎各 女神

测量赝标量是1956年李政谈和杨振宁发表的那篇其后获取诺奖的著述的中枢内容。吴健雄精妙的实践构造出初态只由赝矢量决定的系统，最终笃定宇称不守恒。

撰文 | 薛德堡

1956年，吴健雄指点实践小组完成了“考据弱作用中宇称不守恒”的实践。1972年，吴建雄回忆这段履历时写谈——

1956 年早春的一天，李政玄门授来到浦品 (Pupin) 物理实践室第13 层楼我的小办公室里……他先向我解释了τ-θ 之谜，以及它如何引起在弱衰变中宇称是否守恒的问题。他连接说，如若τ-θ 之谜的谜底是宇称不守恒，那么这种紧闭在极化核的β 衰变的空间踱步中也应该不雅察到；咱们必须去测量赝标量〈σ·p〉，这里p 是电子的动量，σ 是核的自旋。

C. S. Wu， Adventures in Experimental Physics (Vol. Gamma)， ed. B. Maglich， World Science Communication， Princeton， 1972， p. 101.

在上文中，吴先生提到了一个可能大多数东谈主没据说的名词——赝标量。

需要指出的是，测量赝标量这件事亦然1956年李政谈和杨振宁发表的那篇其后获取诺奖的著述的中枢内容，只不外对于大多数读者来说，一篇科普著述没必要扯那么复杂的内容，是以就没平直贴上该著述。

那么，什么是赝标量呢？这事得从矢量的两种类型讲起。

01

什么是赝标量？

学过中学物理的知谈，像速率和角速率这样既有标的，又有大小的物理量叫作念矢量。

矢量有两种类型，分别是极矢量和轴矢量，后者又称赝矢量。速率和力是极矢量，而角速率和磁感应强度是赝矢量。

之是以这样分类，是因为它们在宇称变换下的阐扬不同——极矢量在宇称变换后反向，而赝矢量则不变。

在著述“把无为进行到底：什么是宇称？宇称不守恒到底是什么道理？”中，防范先容了什么是宇称变换，它等于空间反演，如下图所示。

研讨一个最常见的极矢量——位置矢量，暗意如下

空间反演后，它的三个坐标值齐反号了，这使得位置矢量反号了，也等于反向了。

对于速率矢量来说，由于它是位置矢量的技巧导数，是以它在宇称变换下也反向；而根据牛顿第二定律，速率的技巧导数乘以质料得到力，是以力在宇称变换下也反向。

那为什么赝矢量在宇称变化下就不变呢？

咱们以角动量为例来证实一下，角动量界说为

是极矢量。同理可知，赝矢量与赝矢量叉乘得赝矢量。

我臆测有小伙伴一经发现规则了——奇数个极矢量叉乘得极矢量，偶数个极矢量叉乘得赝矢量。

上头研讨了矢量的叉乘的宇称变换，那矢量点乘的宇称变换呢？

矢量点乘得标量，那标量在宇称变换下若何变？

跟前边的爱慕一样，只消看相乘的极矢量的个数是奇照旧偶，如若出现了赝矢量，它代表两个极矢量。

按此规则，极矢量与极矢量的点乘得到的标量，在宇称变换下——负负得正，故记号不变。举例功，动能齐是这样的标量。

而赝矢量与极矢量点乘得到的标量，在宇称变换下，按负负负得负的轨则，它却要反号！

奇怪吧！标量在空间反演下还要反号？果然有这种奇怪的标量？！

没错，它等于赝标量，说白了等于假的标量。而那些在宇称变换下不反号的标量，才是真确的标量。

02

实践的基本想想巨臀 波多黎各 女神

咱们知谈，宇称守恒意味着，系统在宇称变换下保捏不变。

驻守，这里的“不变”的道理是指：系统变换前后等价，并不是什么齐不变！

举例，若系统具有不为零的极矢量或赝标量，根据上头刚刚讲过的，变换后，极矢量要反向，赝标量要反号。但系统在变换前后不能分离，彼此地位全齐特殊，不存在孰优孰劣。

然而！若某个系统只由某非零的赝矢量描写，作宇称变换后，系统将竟然什么齐不变。

那好，咱们就研讨这种只由非零的赝矢量描写的系统。当系统在履历某个响应后，如若这个响应不紧闭宇称守恒，那么系统的末态也只消该赝矢量取非零值。

列位请务必先细品上头这段话，然后连接往下看。

1956年，因受θ~τ疑难的启发（具体请点击此处参看之前的著述），李政谈和杨振宁高度怀疑弱作用经由宇称守恒。

1957年的李政谈(左)和杨振宁(右)

Co-60核的β衰变等于一种典型的弱作用经由，它衰变后酿成镍60，同期放出一个电子和一个反中微子，暗意如下。

李杨二东谈主预料，如若想认识让Co-60核在磁场中自旋极化，也等于齐自旋齐沿着并吞个标的，此时系统只消非零的自旋角动量和磁感应强度，这就构造了一种初态只由赝矢量决定的系统。

Co-60核的β衰变要向外辐射电子，而电子是有动量的，它是极矢量。

如若电子朝相背的两个标的或四面八方均匀的飞出，则证实电子的总动量为零，这不会有什么问题，因为初态宇称变换后不变，末态亦然如斯。这证实，反演空间中的β衰变全齐一样，是以宇称守恒。

但若系统辐射的电子存在一个上风标的，即电子的总动量不为零，那么大问题可就来了！

一方面，初态在宇称变换后，因为赝矢量不变，是以系统没变！它照旧并吞个初态。

另一方面，末态在宇称变换后，作为极矢量的动量，要反向！成为一个不同的末态。

这证实什么？

这证实一个开动要求疏导的实践（初态）对应两种不同的实践末端（末态），这赫然是失实的！

而这个失实的事，内容上等于宇称不守恒的凭据！为什么呢？

列位想想，既然宇称变换后，初态与末态的对应干系发生了变化，证着实反演空间中，弱作用经由变得不同了！

换句话说，弱作用失去了空间反演对称性，也等于宇称不守恒了！

另一方面，如若在末态发现了非零的赝标量，亦然一样的成果。因为赝标量在宇称变换下要反号，这也导致了两个不同的末态，相同紧闭了宇称守恒。

总之，李杨二东谈主的基本想法是：在初态只消赝矢量时，测量非零的极矢量或赝标量是考据弱作用中宇称不守恒的关节。

03

为什么是赝标量〈σ·p〉？

根据上节所讲，极矢量或赝标量齐可作为测量对象，为什么临了聘用的是赝标量——核的自旋角动量与电子动量的点乘，而不是电子的动量呢？

很大致，既然核自旋的标的是东谈主为限定的某个笃定的标的，这个赝标量内容上特殊于电子动量在核自旋方朝上的投影，只不外乘了一个自旋作为悉数。

换句话说，不雅测这个赝标量，与不雅测电子动量成果疏导，况兼有了核自旋标的作为参考标的，表述上愈加简短。

表述上愈加简短，为什么这样说？

若实践发现该赝标量是正的，则证实电子倾向于沿着核自旋的标的出射，反之若该赝标量是负的，则证实电子出射标的偏向与核自旋相背。天然还有可能是零，那样的话就证实电子出射莫得上风标的。

有东谈主可能对〈σ·p〉这个记号感到困惑，其实〈X〉代表X的统计平均值，或者也叫祈望值。因为电子的动量有无数不同的值，一个或几个齐没有意旨，只消有余多的电子动量所组成的总体的祈望值，才气证实问题。

04

吴健雄的实践末端

1956年，吴健雄指点的实践小组完成了对Co-60核的β衰变中赝标量〈σ·p〉的测量，得到非零值。具体来讲，吴的实践中，电子出射的上风标的与核自旋标的相背，也等于赝标量〈σ·p〉为负值。

吴健雄在实践室

吴建雄的实践除了完成这一中枢测量以外，他们还摒除了磁场对电子的出射标的的影响。

伽马各向异性和β分歧称性

他们通过保管外磁场不变，同期普及温度，热通顺使Co-60核失去自旋极化，末端不雅测到电子动量祈望值〈p〉也灭绝了。如上图所示，电子动量的祈望值随Co-60核极化同步变化。这证实电子出射的标的性是由核自旋极化导致的。

这个“摒除”的作用是，由此导致的测量与外磁场无关。进一步也等于证实，由此所发现的宇称不守恒，全齐源于核的β衰变这个弱作用经由，与电磁作用无关。

感天动地！宇称守恒这个说一不二被龙套，东谈主们从此果断到，弱作用经由宇称不守恒。

05

为什么不说左和右？

为什么本文到此齐没提控制对称，以及镜像反射这些东西？

宇称不守恒不是指控制可分离吗？还有，宇称不守恒的实践不是要作念一套镜像实践吗？

好多东谈主把镜像变换和宇称变换行动一趟事，其实它们是不同的。镜像仅仅前后倒置，控制崎岖齐不倒置，而宇称变换是前后控制崎岖齐要倒置。

正因为这样的区别，极矢量和赝矢量，在镜像变换中的规则，与它们在宇称变换中的规则是不同的。

具体来讲，镜面反演中，对极矢量，平行于镜面的重量不变，而垂直于镜面的重量反向；而赝矢量则相背，平行于镜面的重量反向，垂直于镜面的重量不变。

然而，镜像对称的守恒量却与空间反演一样，齐是宇称（对于这少许，请点击此处参看之前的著述的进修）。

是以，多样书上所讲的镜像实践，天然能证实宇称不守恒。况兼，宇称不守恒天然也意味着控制不错分离了。

然而，镜像实践并不是必须的！

好多课本或科普书在讲这个实践时，齐提到镜像实践，其实镜像实践并莫得必要。正如上头所说，只消测得了非零的赝标量〈σ·p〉，就可证实该经由中宇称不守恒，吴健雄天然知谈这少许。

如下图，弱作用中宇称不守恒这件事，只需要图中右半部分中镜子左边的实践（从左往右第三个线圈）就足以实锤了！

宇称守恒和宇称不守恒对比图

那讲镜像实践难谈就没什么公正吗？

镜像实践源于控制对称的想法，讲起来相比好懂。而且，通过镜像实践的讲法，可幸免本文中所讲到的赝矢量和赝标量的问题，天然镜像反演中也触及赝矢量，但陈提及来大致多了。

参考文件

[1] C. S. Wu， Adventures in Experimental Physics (Vol. Gamma)， ed. B. Maglich， World Science Communication， Princeton， 1972， p. 101.

[2] https://journals.aps.org/pr/pdf/10.1103/PhysRev.104.254

[3] https://journals.aps.org/pr/pdf/10.1103/PhysRev.105.1413

[4] 李政谈.吴健雄和宇称不守恒实践[J].物理巨臀 波多黎各 女神，2012，41(03):151-157.