科学家们说宇宙中有四种基本力：引力、电磁力、强核力和弱核力。我们已经写了很多关于前三个力的文章，但还没有真正接触弱核力问题。在很多方面，它表现出完全令人震惊的行为，例如它是唯一通过粒子自旋就能判断它是物质还是反物质的力。那它是如何工作的呢？要理解这一点，我们需要了解一些关于亚原子自旋的知识。
在经典世界中，自旋是非常容易：绕着一个轴旋转一个物体。现在，科学家们为自旋定义一个方向，用你的右手手指沿着物体旋转的方向缠绕，拇指的方向就是旋转方向。
再简化一点，我们可以用箭头代替拇指。箭头的方向包含了关于物体自旋的所有信息。在经典世界中，箭头的长度取决于物体旋转的速度。旋转越快的物体箭头越长，旋转越慢的物体箭头越短。
在亚原子世界中，这些经典思想并非严格正确，但它们还是有些用处的。物体自旋的方向仍然可以用箭头表示，长度可以表示自旋的大小。但经典自旋和量子自旋之间肯定存在重大差异，例如量子物体实际上并不旋转。此外，量子物体的自旋轴必须与运动方向平行或反平行。在亚原子世界中，电子和中微子等粒子的自旋只能为±1/2。正数的自旋表示表示自旋方向是与粒子运动的方向相同，而负数的自旋则相反。
因此，在1950年代，科学家们使用强力和电磁力测试了相互作用，并表明他们都不关心所涉及粒子的自旋方向。然而，在1956年，理论物理学家杨振宁和李政道翻阅文献发现没有人测试过弱力是否在乎自旋。这两个人都不知道如何进行实验，因为他们是理论物理学家，于是他们求助于吴健雄。
吴健雄是一位非常厉害的实验物理学家，在研究原子核的自旋方面，她是业内最优秀的。所以她决定做的是建立一个实验，在这个实验中，钴60通过弱力衰变成镍60、一个电子和一个电子反中微子。为了测试弱力是否关心自旋方向，她设置一个非常强的磁场来对齐钴原子核的自旋。自旋是守恒的，这意味着它在相互作用前后必须相同。钴60的自旋为5，镍60的自旋为4，电子和反中微子的自旋均为1/2。
并且在衰变过程中，为了遵循动量守恒，电子和反中微子会向相反的方向飞走。如果弱力不关心自旋，那么"电子向上移动和反中微子向下移动"将与"电子向下和反中微子向上"一样频繁地发生。因为很难探测到中微子，她只是寻找电子飞行的方向。
最后，她看到了最意想不到的事情。电子总是沿着与钴原子核自旋相反的方向飞走，这意味着反中微子总是朝另一个方向行进，也就是说弱力对某些自旋配置有偏好。
经过思考和仔细研究，我们现在知道吴健雄的实验源于弱力的一种非常奇特的性质。中微子的自旋和它们行进的方向有一个非常严格的规则，中微子的自旋与中微子行进的方向相反，而反中微子的自旋与它们行进的方向相同。
我们把自旋方向与行进方向相同的粒子称为右手粒子，而把自旋方向与行进方向相反的粒子称为左手粒子。那么，可能有人会说吴健雄发现所有的中微子都是左手的，而反中微子是右手的。这种说法其实是很粗糙的，更准确的说法是，由于中微子只能通过弱力相互作用观察到，我们可以说弱力只与左手中微子和右手反中微子相互作用。并且进一步概，力与左手子和反粒子相互作用。
所以这是一件大事，其他力不关心与它们相互作用的粒子的手性，但弱力关心。这一发现让科学界措手不及，要求他们彻底重新思考弱力理论，还提出了右手中微子的问题。它们不存在吗？还是它们确实存在，但我们只是看不到它们，因为弱力拒绝与它们互动？
点赞 (0)
回复
