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左右不分?讀多啲物理啦!

(Credits:?)


出外旅遊或身處陌生環境嘅時候,冇方向、位置感同左右不分嘅你/妳有冇試過「盪失路」,搵唔到目的地同唔知自己喺邊?睇地圖時又有冇成日分唔到上下左右、東南西北呢?嚴重嘅有時就算有自動導航系統(GPS)或者路人指點迷津都會「盪失路」… 方向感哩樣嘢某程度上係天生嘅,未必咁容易話想改善就改善到。何況左同右、前同後哩啲係相對嘅,轉個身就已經會掉轉唔同咗。但現實物理世界真係咁?其實喺現實物理學世界入面,左同右並唔係相對,反而係絕對,係可以有方法100%分辨出嚟㗎! 等小弟喺下面詳細講解吓啦!

[blue]左同右嘅對稱學 [/blue][/size=5][/b]

由細個開始,我哋就被灌輸左同右嘅「分別」,通常透過慣用手/揸筆或筷子嘅手嚟分。但由於我哋平時日常生活接觸到嘅世界左同右其實係相對嘅,好似上面好多人因為唔同原因「些牙」嗰幅圖咁,睇數字6或9時,只要掉轉方向睇就會對掉過嚟,所以單用左或者右講方向唔少時候都會出現誤會。

一般人大多數或者都會認為物理世界同肉眼睇到嘅日常生活世界一樣,左同右喺任何情況下都係相對嘅(除左政治光譜外?)。就好似叮噹漫畫入面嘅法寶進入鏡(入りこみ鏡,又叫進入鏡子)咁,鏡入面嘅世界除左左右掉轉、冇人之外,所有嘢包括物理定律全部一模一樣,冇任何分別。一直以嚟物理學家都係咁諗,由其好多科學研究都發現撇除偶然性之外,自然界似乎係左右對稱、唔偏好左或右嘅。哩個物理學叫宇稱守恆 (parity conservation)定律,可謂科學界之前一直信奉嘅金科玉律。


(圖擷取自:多啦a夢中文網 chinesedora.com)[/size=2][/b][/center]

(圖擷取自:叮噹單行本第33巻第7話《鏡中的世界》) [/size=2]

但去到上世紀中突然出現咗新發現,推翻咗哩個包括著名物理學費曼(Richard Feynman)在內,人人都以為啱嘅真理!而哩個發現背後嘅理論就係由楊振寧(Chen Ning Yang)李政道(Tsung Dao Lee)提出,佢哋亦因為哩個發現得到1957年嘅諾貝爾物理學獎。
Good4Bad0
2018/11/23, 1:30:18 凌晨
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本貼文共有 26 個回覆
#null2018/11/23, 1:30:46 凌晨
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[blue]電子都會「自轉」?淺談乜嘢係自旋 [/blue][/size=5][/b]

喺認識物理學上左同右嘅分別之前,大家首先要了解一下粒子物理學嘅一啲基本概念同相關嘅歷史背景,尤其要搞清楚量子力學入面嘅自旋(spin)係乜嘢嚟。

聽到「自旋」哩個詞彙,你或者會聯想到好似星體自轉、香蕉球嗰波 嘅情況,但其實量子力學入面講嘅「自旋」同平時我哋認知宏觀世界嘅旋轉冇關。量子力學嘅「自旋」唔係指粒子真係喺到自旋?,哩個只係用嚟描述喺量子微觀世界粒子根本上存在嘅角動量(intrinsic angular momentum)嘅物理量名稱。同其他量子微觀世界嘅物理量一樣,粒子嘅自旋同自旋對應嘅角動量佢哋嘅值係離散、量子化嘅,唔同喺宏觀世界咁係連續,可以取任意值。

自旋最初並唔係叫「自旋」,後嚟之所以變成咁叫其實係因為上世紀量子力學理論未完善,尚喺早期建立階段時某啲物理學家嘗試套用經典宏觀世界角動量概念去詮釋「自旋」而遺留落嚟,可以話係物理學界嘅「黑歷史」

(credits: Arjen Dijksman, http://commonsensequantum.blogspot.com/2010/10/explaining-electron-spin-and-pauli.html) [/size=2][/center]

喺1924年,鮑利(Wolfgang Pauli)首先提出電子除咗能階(energy levels)之外仲存在住一個有兩個可能值嘅新量子自由度(或量子數),用嚟解釋觀測到嘅分子光譜同量子力學之間嘅矛盾。透過哩樣新嘅量子數,佢建構出流芳後世中學物理、化學教科書嘅鮑利不相容原理(Pauli’s exclusion principle)[1],指出兩粒相同嘅費米子(fermions),例如兩粒電子咁,係唔可以同時處於完全一模一樣嘅量子態,好似上下嗰兩幅示意圖咁。不過鮑利最初仲未知道應該點樣解釋哩個量子數。

(credits: Arjen Dijksman, http://commonsensequantum.blogspot.com/2010/10/explaining-electron-spin-and-pauli.html) [/size=2]

過咗冇幾耐當時仲係博士生嘅克勒尼希(Ralph Kronig)聽到哩個理論後大膽提出哩個量子數可能係由電子嘅自轉產生。不過好快就俾鮑利質疑同ban咗,因為電子嘅表面需要以超光速轉動先會產生出哩個量子數對應嘅角動量。不過後嚟另外兩位物理學家烏倫碧克(George Uhlenbeck)高斯密特(Samuel Goudsmit)又提出類似嘅諗法,仲發表埋論文,得到實驗物理學界正面嘅回應。雖然哩個睇法後嚟被證實唔啱,電子唔係真係自轉?,但點都好「自旋」哩個形象化嘅比喻能夠帶出哩個量子數同角動量、磁矩(magnetic moment)有關,個詞彙又已經喺物理學界廣泛應用,於是「自旋」就被叫做「自旋」。

詳細有關自旋嘅講解同相關理論、發現嘅歷史背景可以睇[2,3] 同下面短片(英文)
https://youtu.be/cd2Ua9dKEl8
#null2018/11/23, 1:37:38 凌晨
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[blue]左同右係有絕對分別 — 宇稱不守恆 [/blue][/size=5]

講咗咁耐自旋,咁究竟自旋又同點樣定義左右有關呀 簡單嘅答案就係通過比較粒子「自旋」軸同動量(行走)嘅方向去定義。雖然自旋唔係真係指自轉,但用粒子自旋所對應嘅角動量我哋一樣可以定義出一條假想嘅「旋轉軸」。就好似大家中學讀物理古典電磁學時遇到嘅安培右手定則咁,根據另外四隻手指彎曲指示嘅方向係順時針或逆時針時右手呈現嘅形態,我哋可以用右手拇指舉直嘅方向去定義旋轉軸方向。

一般好似電子哩啲自旋係半整數1/2嘅費米子,佢哋喺任意方向嘅角動量只有兩種可能性,對應嘅量子態叫上自旋同下自旋。透過比較哩啲費米子自旋軸同動量嘅方向,會得出佢哋有左旋同右旋兩種可能性 ( 如下面幅圖所示咁, p 代表動量,S 代表自旋)。粗略咁講,右旋係指粒子嘅動量同自旋方向一致,而左旋就方向相反。

左旋同右旋嘅費米子 (credits: Wikipedia, https://en.m.wikipedia.org/wiki/Chirality_(physics))[/size=2]

哩種左、 右旋嘅特性理論物理學叫手徵性 (chirality)。喺宇稱變換之下,左旋同右旋會互換對掉。雖然宇稱轉換同鏡像轉換一樣會將左右對掉,但佢哋其實係有啲分別。宇稱轉換係指將所有座標、方向全部反過嚟,喺3維空間即係(x,y,z)-> (-x,-y,-z),好似下面幅圖所表示咁;但鏡像轉換只係將其中一個方向反過嚟,即係(x,y,z)-> (-x,y,z)。 所以喺3維空間宇稱轉換其實係等於鏡像轉換再加一個180度嘅轉動。不過由於絕大部分系統都具有旋轉不變性,所以通常我哋都可以將宇稱轉換簡單諗成係鏡像轉換。

(圖擷取自 [4] )
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拙文開頭講到物理學界之前一直相信宇稱守恆係世界嘅真理,無容置疑。不過去到上世紀中李政道同楊振寧首先注意到同衰變有關嘅弱作用力(weak interactions)佢嘅宇稱守恆性仲未好似電磁力、強作用力咁經實驗仔細咁檢驗過。而且當時亦發現咗有兩種質量一樣嘅粒子 (θ、τ 粒子 ) 以唔同嘅方式衰變兼具有相反嘅宇稱性,於是李同楊大膽提出弱作用力有違反宇稱守恆嘅可能,θ同τ粒子其實係同一種粒子,只係宇稱唔同。

不過當時哩個想法太大膽同突破 ,喺李同楊諗到實驗方法同發現確實實驗證據前,起初物理學界包括著名嘅費曼都唔信,費曼仲話佢哋「痴線」,打賭50美金話一定冇可能。雖然係咁,但最後李同楊終於說服到一位叫吳健雄(Chien-Shiung Wu)#嘅實驗物理學家去設計實驗驗證哩樣之前人人都以為啱嘅真理。

#個名雖然好man,但其實佢係女人嚟 佢嘅學術成就、貢獻其實絕對唔比李同楊差,佢甚至享有「東方居禮夫人」哩個美譽。如果係追求性別平等嘅今日,有關宇稱不守恆哩個發現嘅諾貝爾物理學獎應該會頒埋畀佢
#null2018/11/23, 1:43:11 凌晨
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嗰個實驗就係吳氏實驗(Wu experiment),透過觀察鈷-60衰變時發出嘅β射線(即電子)去檢驗宇稱守恆性。簡單講,個實驗係通過一個外加磁場將處於超低溫環境下帶有磁矩嘅鈷-60原子核嘅自旋沿著同一個方向排列,然後再觀察佢哋嘅β衰變,睇吓啲β粒子係唔係偏好順著或逆著鈷原子核自旋方向射出。如果弱作用力真係宇稱守恆,咁β射線嘅分佈應該係兩極對稱,即係順著同逆著原子核方向射出嘅數目應該一樣。實驗結果最後顯示唔係咁樣,β 射線係偏好順著鈷-60 原子核自旋方向射出,好似下面幅圖所表示咁。哩個發現證實咗李同楊嘅諗法,原來宇宙真係唔係宇稱守恆㗎!詳細有關哩個實驗嘅專業講解可以睇[6]

真實世界同鏡像世界中嘅鈷60衰變。(劉仕彬 繪製,圖擷取自[6] )
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[blue]總結:分唔清左同右?去深造一下物理學或者幫到你! [/blue][/size=5][/b]

雖然日常生活我哋習以為常咁認為左同右係相對,但原來喺物理世界事實並唔係咁,我哋其實係有絕對嘅方法定義出左同右嘅分別。喺鏡入面睇到嘅世界原來喺現實世界冇可能存在,叮噹法寶進入鏡裡面嘅世界之所以冇人或者係因為漫畫世界入面嘅人都係靠弱作用力構成?

總結我哋身處嘅宇宙其實比你諗、用肉眼睇到嘅複雜、怪異同有趣好多,下次再盪失路、迷失方向嘅時候或者去深造一下物理學會幫到你!

(Credits: Ele Willoughby)
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最後送首「哥哥」嘅《左右手》作結同時緬懷一下哩位香港一代巨星。
https://youtu.be/bDaDAgpp0kc

今次講到哩度,下次再講
#null2018/11/23, 1:46:58 凌晨
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延伸閱讀:

[1] 《庖利不相容原理》
http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/html.php?html=particleadventure/frameless/pauli

[2] 《自旋》,沈于晴著
http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=59480

[3] 《What exactly is the 'spin' of subatomic particles such as electrons and protons? Does it have any physical significance, analogous to the spin of a planet?》 from 《Scientific American》 https://www.scientificamerican.com/article/what-exactly-is-the-spin/

[4] 《Physics in a Mirror : The TRIUMF 221 MeV pp Parity Violation Experiment》
https://www.semanticscholar.org/paper/Physics-in-a-Mirror-:-The-TRIUMF-221-MeV-pp-Parity-Ramsay-Birchall/31357e658ba771af8503d628d1d5e07d3a016138

[5] 《宇稱不守恆》,高涌泉著,刊於《科學人雜誌》2015年第158期4月號,http://sa.ylib.com/MagArticle.aspx?Unit=columns&id=2679

[6] 《吳健雄的宇稱不守恆定律》,蔣正偉著
https://www.ntsec.gov.tw/FileAtt.ashx?id=2084

[7]《This particle breaks time symmetry》by Veritasium (有殘體中文字幕)
https://youtu.be/yArprk0q9eE
#null2018/11/23, 1:48:55 凌晨
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#null2018/11/23, 2:21:43 凌晨
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#null2018/11/23, 8:04:07 早上
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#null2018/11/23, 10:10:49 上午
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膠登冇晒人
#null2018/11/23, 5:44:25 下午
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