外星人的左與右

有一天，一位來自遙遠的「香蕉星球」的外星人突然用了一個人類智慧無法理解的方法跟你溝通。這個星球與我們位於同一個宇宙，所以物理理論與我們完全相同。你們很快就成了好朋友，你也學懂了「香蕉語」，可以時不時與「香蕉人」談天說地，了解宇宙的最新動向。唯獨有幾句「香蕉語」，你始終無辦法搞清，就是方向。你知道「香蕉人」會用bello及bananonina兩個詞語代表左與右，但你不知道那一個是左，那一個是右。你知道「香蕉人」會underwear及poka兩個詞語代表順時針與逆時針，但你不知道那一個是順時針，那一個是逆時針。你知道「香蕉人」會poopaye及baboi兩個詞語代表東與西，但你不知道那一個是東，那一個是西。有沒有方法可以幫到我們分辨呢？

可不可以告訴他們太陽升起的一方就是東方？但地球是順時針旋轉，所以太陽才在東方升起。你可不知道在「香蕉星球」是否也是順時針旋轉。問問他們心臟的方向又是否可行？心臟理應在左邊吧？但他們是外星人啊，也許心臟會生在右邊。就算在地球上，我們也知道有很多心臟生在右邊的人，他們的生理功能完全正常，跟心臟生在左邊的人一點方別都沒有啊！你再想了一想，決定用上自己的生物化學知識。你知道地球上的氨基酸（amino acids）都是左旋（levorotatory）的，問問「香蕉人」他們的氨基酸的旋光性，不就可以嗎？但地球上的氨基酸是左旋，不代表「香蕉星球」上的氨基酸都是左旋啊！高中有機化學的知識告訴我們，兩種光學異構物（optical isomer）的化學特性完全相同，我們始終沒有方法分辨到左右。怎麼好？

科學界一度相信這個問題是沒有解的，他們相信左與右完全一樣。你把全宇宙的左右倒轉，宇宙仍然會用同樣的模式運作下去，而且大家根本上就不可能察覺到當中的分別。這個科學界一直相信的真理，稱為「宇稱守恆」（Conservation of parity）。

不過這個「真理」最後被兩位大家耳熟能詳的華裔科學家楊振寧及李政道所推翻了。令他們有這個念頭的是θ和τ兩種介子，他們的自旋，質量，電荷完全相同，物理學家們都相信它們其實是同一種粒子。然而θ衰變時產生兩粒π介子，τ衰變時會產生3粒π介子，奇數個π介子的總宇稱是負的，而偶數個π介子的總宇稱是正的。所以兩種看似完全一樣的粒子衰變後的宇稱竟然不相同。於是他們開始思考，究竟會不會是宇稱根本上就不守恆？

他們總結了以往的案例，發現宇稱守恆定律在電磁力及強作用力中成立，但未有證據證明它在弱作用力中也成立。二人於是設計了一個實驗，並請了另一位華裔物理學家吳健雄去進行。

吳健雄用了兩套實驗裝置去觀測鈷60在極低溫下的β衰變，她用強磁場把一套裝置中的鈷60原子核自旋方向轉向左旋，把另一套裝置中的鈷60原子核自旋方向轉向右旋。如果β衰變遵守宇稱守恆，電子的釋出方向會是平均的，沒有一個方向會佔優。然而，吳健雄卻發現較多的電子更沿著核自旋的反方向釋出。所以左與右是有分別的！宇稱並不守恒！

大家還記不記得史丹福曾經介紹過一些入門級粒子物理（http://drstanford.blogspot.hk/2015/10/made-easy.html）？β衰變其實就是下夸克（down quark）轉換成帶上夸克（up quark）、電子（electron）及反微中子（anti-nutrino）。夸克在過程中會在左手性與右手性間不停地振盪。而吳健雄的鈷60實驗數據告訴我們，只有左手性的下夸克會參與弱交互作用，同時整個過程只會涉及左手性的夸克與輕子（或右手性的反夸克與反輕子）。右手性的粒子並不會參與弱交互作用。

回到我們最初的問題。有沒有方法可以幫到我們分辨外星人的左與右呢？我們只需要叫「香蕉人」觀察一下β衰變，釋放出來的反微中子就是左手性的！