吳健雄鈷-60原子核β衰變證明宇稱不守恒實(shí)驗(yàn)中的錯(cuò)誤

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摘要：1957年1月，吳健雄用兩套實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)觀測(cè)鈷60的衰變，她在極低溫(0.01K)下用強(qiáng)磁場(chǎng)把一套裝置中的鈷60原子核自旋方向轉(zhuǎn)向左旋，把另一套裝置中的鈷60原子核自旋方向轉(zhuǎn)向右旋。她根據(jù)兩套實(shí)驗(yàn)裝置中的鈷60原子核自旋方向相反，就認(rèn)為這兩套裝置中的鈷60互為鏡像。這當(dāng)中其實(shí)存在一個(gè)非常重大的錯(cuò)誤，這個(gè)錯(cuò)誤就是，人們對(duì)鏡像對(duì)稱和旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的理解，以及鈷60原子核自旋原理認(rèn)知上的錯(cuò)誤。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置中自旋方向相反的鈷60原子核，其實(shí)并非鏡像對(duì)稱，而是180°的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。

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關(guān)鍵詞：物理實(shí)驗(yàn)；鈷-60原子核β衰變；衰變；宇稱不守恒；宇稱守恒；粒子自旋；三元平衡定律；鏡像對(duì)稱；旋轉(zhuǎn)對(duì)稱

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0引言

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什么是鏡像對(duì)稱？什么又是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱？吳健雄在鈷60的衰變的試驗(yàn)中，由于對(duì)這兩種對(duì)稱的誤解，最后造就了一個(gè)錯(cuò)誤的“宇稱不守恒”的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。本論文不討論“宇稱不守恒”理論本身正確與否，只是討論通過(guò)觀測(cè)兩個(gè)自旋方向相反的鈷60衰變，到底是否可以來(lái)驗(yàn)證“宇稱不守恒”的問(wèn)題。

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1什么是對(duì)稱

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1.1什么是鏡像對(duì)稱和旋轉(zhuǎn)對(duì)稱

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上圖為鈷原子的鏡像對(duì)稱與旋轉(zhuǎn)對(duì)稱示意圖，大家可以清晰看到鈷原子經(jīng)過(guò)180°的旋轉(zhuǎn)之后，其實(shí)和鏡像對(duì)稱當(dāng)中的“4鏡像的鏡像”相同，與“2鏡像”和“3鏡像”則不同。然而在“鈷60原子核β衰變宇稱不守恒實(shí)驗(yàn)”當(dāng)中，將“2鏡像”和“4鏡像的鏡像”混淆在了一起。之所以會(huì)出現(xiàn)這樣的錯(cuò)誤，原因主要有兩點(diǎn)，第一點(diǎn)就是人們對(duì)鏡像對(duì)稱和旋轉(zhuǎn)對(duì)稱理解上產(chǎn)生的概念混淆，第二點(diǎn)則是人們通過(guò)物體旋轉(zhuǎn)的慣性思維去理解粒子的自旋，最后結(jié)合兩種對(duì)稱概念的混淆，最后才的出“宇稱不守恒”的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

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1.2試驗(yàn)結(jié)論中的對(duì)旋轉(zhuǎn)概念的混淆

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在這個(gè)試驗(yàn)中，其實(shí)存在一個(gè)嚴(yán)重的概念錯(cuò)誤。這個(gè)錯(cuò)誤就是，認(rèn)為試驗(yàn)中自旋方向相反的兩個(gè)粒子的旋轉(zhuǎn)方式，與人體（物體）“順時(shí)針”或“逆時(shí)針”的旋轉(zhuǎn)方向變化等同。最后將這種旋轉(zhuǎn)方向“順時(shí)針”或“逆時(shí)針”的變化與“鈷60原子的180°旋轉(zhuǎn)”混淆。因此最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，就是在鈷60原子的旋轉(zhuǎn)方向“順時(shí)針”或“逆時(shí)針”的變化，等于與“鈷60原子的180°旋轉(zhuǎn)”的錯(cuò)誤概念上得出的錯(cuò)誤結(jié)論。

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我們利用人體（物體）的“旋轉(zhuǎn)方向改變”的鏡像和“180°旋轉(zhuǎn)”的鏡像，來(lái)類比在這個(gè)試驗(yàn)中“兩個(gè)自旋方向相反的鈷60原子”的狀態(tài)，而“兩個(gè)自旋方向相反的鈷60原子”的真實(shí)狀態(tài)，其實(shí)是“180°旋轉(zhuǎn)”狀態(tài)。但試驗(yàn)者卻混淆了“旋轉(zhuǎn)方向改變”和“180°旋轉(zhuǎn)”兩種完全不同的狀態(tài)。

也就是說(shuō)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，兩個(gè)自旋方向相反的鈷60原子的真實(shí)關(guān)系，應(yīng)該是圖中“1”和“5”的關(guān)系，但是被誤認(rèn)為是“1”和“2”的關(guān)系。而兩個(gè)自旋方向相反的鈷60原子真實(shí)的關(guān)系，應(yīng)該如“1”和“5”的關(guān)系一樣，但卻被認(rèn)為是鏡像對(duì)稱中的“1”和“3”的關(guān)系。

由于對(duì)“對(duì)稱”概念的混淆，所以實(shí)驗(yàn)者錯(cuò)誤的認(rèn)為“3”和“5”相同，這是由于在人體（物體）旋轉(zhuǎn)方向改變的情況下“3”和“2”相同的緣故。實(shí)驗(yàn)者將“旋轉(zhuǎn)方向改變”和“180°旋轉(zhuǎn)”的概念混淆，因此錯(cuò)誤的認(rèn)為“3”和“5”也應(yīng)該相同。由于實(shí)驗(yàn)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)“3”和“5”并不相同，所以最后得出“宇稱不守恒”的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

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也就是說(shuō)，兩個(gè)自旋方向相反的鈷60原子，其實(shí)并不是圖中“1”和“2”的這種關(guān)系，更不是鏡像對(duì)稱的關(guān)系，圖中“2”（旋轉(zhuǎn)方向改變）和鏡像“3”相同。兩個(gè)自旋方向相反的鈷60原子，其實(shí)是圖中“1”和“5”的這種關(guān)系。但試驗(yàn)者卻將鈷60原子“180°旋轉(zhuǎn)”對(duì)稱“5”，誤認(rèn)為是鏡像對(duì)稱“3”，由于鏡像“3”和“180°旋轉(zhuǎn)”對(duì)稱“5”并不相同，所以最后錯(cuò)誤的得出“鈷60原子”衰變宇稱不守恒的結(jié)論。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)其實(shí)驗(yàn)證的是，對(duì)兩個(gè)鈷60原子分別施加兩個(gè)方向相反磁場(chǎng)之后，通過(guò)磁場(chǎng)作用，兩個(gè)鈷60原子互為180°旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)?；?80°旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的兩個(gè)鈷60原子的自旋方向相反，但卻并不是鏡像對(duì)稱。將“180°旋轉(zhuǎn)對(duì)稱”與鏡像對(duì)稱混淆等同，最后錯(cuò)誤的得出“宇稱不守恒”的結(jié)論。

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2粒子自旋與旋轉(zhuǎn)對(duì)稱

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2.1粒子自旋

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關(guān)于粒子產(chǎn)生自旋的基本原理，其實(shí)在《三元平衡定律》最新的版本當(dāng)中，就有詳細(xì)的理論推導(dǎo)。由于推導(dǎo)過(guò)程比較繁瑣，所以這里就不再贅述，這里只是通過(guò)現(xiàn)有的物理常識(shí)，來(lái)解釋為什么兩個(gè)鈷原子一定是互為180°旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。

我們知道當(dāng)對(duì)某個(gè)物體（例如，磁鐵）施加一個(gè)磁場(chǎng)之后，使物體的某種狀態(tài)發(fā)生改變的話，必然是通過(guò)這個(gè)磁場(chǎng)產(chǎn)生的相關(guān)作用力（例如，電磁力）作用的結(jié)果。在現(xiàn)有的物理理論認(rèn)為，磁鐵之所以能夠產(chǎn)生磁場(chǎng)，是因?yàn)榇盆F內(nèi)部電子圍繞原子核做一定規(guī)律的圓周運(yùn)動(dòng)。

所以我們可以想象，鈷原子核的內(nèi)部可能就是若干電子在一定空間里呈一定規(guī)律的運(yùn)動(dòng)（詳細(xì)理論見(jiàn)物理學(xué)新理論《三元平衡定律》當(dāng)中對(duì)物體呈現(xiàn)出電荷的原理解釋），最后形成的一種不規(guī)律的自旋。所以只要對(duì)鈷原子核施加一個(gè)磁場(chǎng)，就會(huì)使其自旋呈現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)方向的一致性。當(dāng)磁場(chǎng)的方向發(fā)生變化之后，鈷原子就會(huì)發(fā)生180°旋轉(zhuǎn)（翻轉(zhuǎn)）。

這就好比對(duì)一塊磁場(chǎng)施加一個(gè)額外的磁場(chǎng)，磁鐵的磁極就會(huì)始終保持“異性相吸，同性相斥”規(guī)律。如果磁場(chǎng)的方向發(fā)生變化之后，那么這塊磁鐵就必然發(fā)生180°旋轉(zhuǎn)（翻轉(zhuǎn)）。

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2.2結(jié)論

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吳健雄鈷60原子核β衰變實(shí)驗(yàn)，非但不能證明“在弱相互作用下宇稱不守恒”，其實(shí)反倒可以證明了鈷60在原子核β衰變中“宇稱守恒”。

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3結(jié)語(yǔ)?

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對(duì)粒子形成自旋的原理上的模糊，以及對(duì)鏡像對(duì)稱和旋轉(zhuǎn)對(duì)稱概念的混淆，是造成對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析錯(cuò)誤的根本原因，實(shí)驗(yàn)分析的錯(cuò)誤導(dǎo)致了錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

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參考文獻(xiàn)：

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［1］《三元平衡定律》：https://doi.org/10.5281/zenodo.4539809