吴健雄钴-60原子核β衰变证明宇称不守恒实验中的错误

摘要：1957年1月，吴健雄用两套实验装置来观测钴60的衰变，她在极低温(0.01K)下用强磁场把一套装置中的钴60原子核自旋方向转向左旋，把另一套装置中的钴60原子核自旋方向转向右旋。她根据两套实验装置中的钴60原子核自旋方向相反，就认为这两套装置中的钴60互为镜像。这当中其实存在一个非常重大的错误，这个错误就是，人们对镜像对称和旋转对称的理解，以及钴60原子核自旋原理认知上的错误。两个实验装置中自旋方向相反的钴60原子核，其实并非镜像对称，而是180°的旋转对称。

关键词：物理实验；钴-60原子核β衰变；衰变；宇称不守恒；宇称守恒；粒子自旋；三元平衡定律；镜像对称；旋转对称

0引言

什么是镜像对称？什么又是旋转对称？吴健雄在钴60的衰变的试验中，由于对这两种对称的误解，最后造就了一个错误的“宇称不守恒”的实验结论。本论文不讨论“宇称不守恒”理论本身正确与否，只是讨论通过观测两个自旋方向相反的钴60衰变，到底是否可以来验证“宇称不守恒”的问题。

1什么是对称

1.1什么是镜像对称和旋转对称

上图为钴原子的镜像对称与旋转对称示意图，大家可以清晰看到钴原子经过180°的旋转之后，其实和镜像对称当中的“4镜像的镜像”相同，与“2镜像”和“3镜像”则不同。然而在“钴60原子核β衰变宇称不守恒实验”当中，将“2镜像”和“4镜像的镜像”混淆在了一起。之所以会出现这样的错误，原因主要有两点，第一点就是人们对镜像对称和旋转对称理解上产生的概念混淆，第二点则是人们通过物体旋转的惯性思维去理解粒子的自旋，最后结合两种对称概念的混淆，最后才的出“宇称不守恒”的实验结论。

1.2试验结论中的对旋转概念的混淆

在这个试验中，其实存在一个严重的概念错误。这个错误就是，认为试验中自旋方向相反的两个粒子的旋转方式，与人体（物体）“顺时针”或“逆时针”的旋转方向变化等同。最后将这种旋转方向“顺时针”或“逆时针”的变化与“钴60原子的180°旋转”混淆。因此最后的实验结论，就是在钴60原子的旋转方向“顺时针”或“逆时针”的变化，等于与“钴60原子的180°旋转”的错误概念上得出的错误结论。

我们利用人体（物体）的“旋转方向改变”的镜像和“180°旋转”的镜像，来类比在这个试验中“两个自旋方向相反的钴60原子”的状态，而“两个自旋方向相反的钴60原子”的真实状态，其实是“180°旋转”状态。但试验者却混淆了“旋转方向改变”和“180°旋转”两种完全不同的状态。

也就是说在整个实验过程中，两个自旋方向相反的钴60原子的真实关系，应该是图中“1”和“5”的关系，但是被误认为是“1”和“2”的关系。而两个自旋方向相反的钴60原子真实的关系，应该如“1”和“5”的关系一样，但却被认为是镜像对称中的“1”和“3”的关系。

由于对“对称”概念的混淆，所以实验者错误的认为“3”和“5”相同，这是由于在人体（物体）旋转方向改变的情况下“3”和“2”相同的缘故。实验者将“旋转方向改变”和“180°旋转”的概念混淆，因此错误的认为“3”和“5”也应该相同。由于实验的结果发现“3”和“5”并不相同，所以最后得出“宇称不守恒”的实验结论。

也就是说，两个自旋方向相反的钴60原子，其实并不是图中“1”和“2”的这种关系，更不是镜像对称的关系，图中“2”（旋转方向改变）和镜像“3”相同。两个自旋方向相反的钴60原子，其实是图中“1”和“5”的这种关系。但试验者却将钴60原子“180°旋转”对称“5”，误认为是镜像对称“3”，由于镜像“3”和“180°旋转”对称“5”并不相同，所以最后错误的得出“钴60原子”衰变宇称不守恒的结论。

这个实验其实验证的是，对两个钴60原子分别施加两个方向相反磁场之后，通过磁场作用，两个钴60原子互为180°旋转的状态。互为180°旋转状态的两个钴60原子的自旋方向相反，但却并不是镜像对称。将“180°旋转对称”与镜像对称混淆等同，最后错误的得出“宇称不守恒”的结论。

2粒子自旋与旋转对称

2.1粒子自旋

关于粒子产生自旋的基本原理，其实在《三元平衡定律》最新的版本当中，就有详细的理论推导。由于推导过程比较繁琐，所以这里就不再赘述，这里只是通过现有的物理常识，来解释为什么两个钴原子一定是互为180°旋转状态。

我们知道当对某个物体（例如，磁铁）施加一个磁场之后，使物体的某种状态发生改变的话，必然是通过这个磁场产生的相关作用力（例如，电磁力）作用的结果。在现有的物理理论认为，磁铁之所以能够产生磁场，是因为磁铁内部电子围绕原子核做一定规律的圆周运动。

所以我们可以想象，钴原子核的内部可能就是若干电子在一定空间里呈一定规律的运动（详细理论见物理学新理论《三元平衡定律》当中对物体呈现出电荷的原理解释），最后形成的一种不规律的自旋。所以只要对钴原子核施加一个磁场，就会使其自旋呈现出旋转方向的一致性。当磁场的方向发生变化之后，钴原子就会发生180°旋转（翻转）。

这就好比对一块磁场施加一个额外的磁场，磁铁的磁极就会始终保持“异性相吸，同性相斥”规律。如果磁场的方向发生变化之后，那么这块磁铁就必然发生180°旋转（翻转）。

2.2结论

吴健雄钴60原子核β衰变实验，非但不能证明“在弱相互作用下宇称不守恒”，其实反倒可以证明了钴60在原子核β衰变中“宇称守恒”。

3结语 

对粒子形成自旋的原理上的模糊，以及对镜像对称和旋转对称概念的混淆，是造成对实验结果分析错误的根本原因，实验分析的错误导致了错误的实验结论。

参考文献：

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