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【科學講堂】左與右 怎定義?

2017-11-08

大自然「有話說」 粒子自旋方向告知

之前「科學講堂」跟大家討論過如何利用大自然的常數或科學現象去定義各種度量衡單位。上月國際度量衡局(International Bureau of Weights and Measure)就在法國巴黎附近舉行會議,進一步討論細節,根本地改良單位定義的方法。

然而,「改良單位定義的方法」是什麼意思?我們可以這樣想:假設明天我們發現了外星高智慧生物,並設立了和他們溝通的渠道。我們要怎樣告訴他們我們的度量衡單位?倘若單位的定義是建基於大自然的常數,那麼這份差事就相對容易了;縱然是在光年之外,我們的外星朋友可以使用他們自己的設備去量度這些常數。由此看來,要分享度量衡單位並不是什麼大問題。

將粒子歸類為「左撇子」「右撇子」

今天就讓我跟大家討論一個相似的問題:我們如何告知千里以外的外星朋友,什麼是左、什麼是右?

首先當然不可能告訴他們「左」就是「右」的相反(因為他們也不懂什麼是「右」,總不能再回答說「右」就是「左」的相反),也不能告訴他們「右」就是大部分中國人握筷子的那一邊,因為他們也不會懂得什麼是筷子或是中國人的習慣。

「宇稱不守琚v釋「鏡中像」

在大自然的現象中,「左」與「右」是否有什麼根本上的不同?

是有的。1956年著名華裔物理學家李政道及楊振寧發表了「宇稱不守琚]Parity Non-conservation)」的文章, 指出「左」與「右」在大自然的定律中並非有茯萓P的地位。什麼是「宇稱」? 其實就是描述在鏡子中的世界裡,某些物質的特徵或者某些定律會否改變。比方說在一塊面向東方的鏡子面前,假若我向鏡子跑去,我的速度就是指向西方;在鏡子裡,我卻是朝東方跑。

那麼大自然是如何不平等地對待「左」和「右」?首先讓我解釋一下粒子「自旋(spin)」的這個概念。很多粒子(例如電子)都好像有自我旋轉的特徵。雖說現在知道它們並不是真的在旋轉,但把粒子想像成自我旋轉還是足夠解釋很多現象的。

知道了一顆粒子移動和自旋的方向以後,就能把它分類為「左旋」還是「右旋」:用我們的左手拇指指向粒子移動的方向,假若我們其他手指彎曲的方向與粒子自旋的方向一致,那麼這顆粒子就是「左旋」,反之就是「右旋」。用活潑一點的說法,我們是在將粒子歸類為「左撇子」或是「右撇子」。

還記得之前介紹過的中微子(neutrino)嗎?上世紀的研究顯示,中微子都是「左撇子」。這也是「宇稱不守琚v的一個重要例子:一個產生「左旋」中微子的現象,將無法在鏡中世界裡發生,因為這個世界裡根本沒有「右旋」的中微子。

於是,中微子移動和自旋方向的關係,正好可以用來告訴外星人什麼是「左」。(小補充:近代的研究,指出「右旋」的中微子並非不存在,只是它們的質量太大,比較稀有,亦不容易找到。) ■張文彥博士

作者簡介:香港大學土木及結構工程學士。短暫任職見習土木工程師後,決定追隨對科學的興趣,在加拿大多倫多大學取得理學士及哲學博士學位,修讀理論粒子物理。現任香港大學理學院講師,教授基礎科學及通識課程,不時參與科學普及與知識交流活動。

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