تجربة وو

كانت تجربة وو عبارة عن تجربة فيزياء نووية أجرتها عالمة الفيزياء الأمريكية الصينية شين-شيونغ وو في عام 1956 بالتعاون مع مجموعة درجة الحرارة المنخفضة التابعة للمكتب الوطني الأمريكي للمعايير. كان الغرض من التجربة هو تحديد ما إذا كان انحفاظ التكافؤ (مصونية التكافؤ) (P-Conservation)، والذي اُثبِت مسبقًا في التفاعلات (أو القوى) الكهرومغناطيسية والقوية، يطبق أيضًا على التفاعلات الضعيفة. إذا كان انحفاظ التكافؤ صحيحًا، فإن النسخة المعكوسة من العالم (حيث يصبح اليسار يمينا واليمين يسارًا) ستتصرف كصورة المرآة للعالم الحالي. في حالة عدم صحة انحفاظ التكافؤ، فسيكون من الممكن التمييز بين النسخة المعكوسة من العالم وصورة المرآة للعالم الحالي.[1]

أثبتت التجربة انتهاك انحفاظ التكافؤ في التفاعل الضعيف. لم تكن هذه النتيجة متوقعة من قبل مجتمع الفيزياء، الذي كان يعتبر التكافؤ في السابق كمية محفوظة. حصل تسونج داو لي وتشن نينغ يانغ، الفيزيائيان النظريان اللذان انشأا فكرة عدم انحفاظ التكافؤ واقترحا التجربة، على جائزة نوبل لعام 1957 في الفيزياء لهذه النتيجة. ذُكر دور شين شيونغ وفي الاكتشاف في خطاب قبول جائزة نوبل، ولكن لم تُكرم حتى عام 1978، عندما حصلت على جائزة وولف الأولى.[2]

تاريخعدل

في عام 1927، صاغ يوجين فيغنر مبدأ انحفاظ التكافؤ، فكرة أن العالم الحالي والعالم المبني مثل صورته في المرآة سوف يتصرفان بنفس الطريقة، والفارق الوحيد هو عكس اليسار واليمين (على سبيل المثال، فإن الساعة التي تدور في اتجاه عقارب الساعة ستدور بعكس اتجاه عقارب الساعة إذا انعكست على مرآة).[3]

قبل الفيزيائيون هذا المبدأ على نطاق واسع، وتم التحقق من انحفاظ التكافؤ بشكل تجريبي في التفاعلات الكهرومغناطيسية والقوية. ومع ذلك، خلال منتصف الخمسينيات من القرن الماضي، لم يكن من الممكن تفسير بعض التحللات التي تشمل الكاونات بالنظريات الحالية التي كانت تفترض أن انحفاظ التكافؤ صحيح. يبدو أن هناك نوعين من الكاونات (جسيم دون ذري ) ، أحدهما يتحلل لينتج زوجًا من البيونات (جسيمات أولية دون ذرية)، والآخر يتحلل لينتج ثلاثة بيونات. عُرف هذا اللغز باسم لغز τ – θ «تاو-ثيتا».[4]

قام الفيزيائيون النظريون تسونج داو لي وتشن نينغ يانغ بمراجعة النسق العلمي حول مسألة انحفاظ التكافؤ في جميع التفاعلات الأساسية. واستنتجوا أنه في حالة التفاعل الضعيف، لم تؤكد أو تدحض البيانات التجريبية مبدأ المحافظة على التكافؤ. وبعد فترة وجيزة اتصلا بشين-شيونغ وو Chien-shiung Wu ، التي كانت خبيرة في التحليل الطيفي لتحلل بيتا ، وأخبروها بأفكار مختلفة للتجارب ؛ و استقروا على فكرة اختبار خصائص الاتجاه لتحلل بيتا في الكوبالت-60. اتصلت وو بعد ذلك ب"هنري بورسّ و "مارك دبليو زيمانسكي" ، اللذان يتمتعان بخبرة واسعة في فيزياء درجات الحرارة المنخفضة. بناءً على طلب من بورس و زيمانسكي، اتصلت وو بإرنست أمبلر، من المكتب الوطني للمعايير (إن بي إس)، الذي رتب لإجراء التجربة في ديسمبر 1956 في مختبرات درجات الحرارة المنخفضة في إن بي إس.[5]

حصل لي ويانغ، اللذان دفعا وو للقيام بالتجربة، على جائزة نوبل في الفيزياء في عام 1957 ، بعد وقت قصير من ظهور نتائج التجربة ، وكانت بالفعل تبدي عدم انحفاظ التكافؤ - في تفاعلات القوة الضعيفة . ذُكر دور وو في الاكتشاف في خطاب منح الجائزة، ولكن لم تُكرم حتى عام 1978، عندما حصلت على جائزة وولف الافتتاحية.[6]

نظريةعدل

فوق: P-symmetry: [يسار] الساعة الواقعية وإلى [اليمين ] الصورة في المرآة (انحفاظ التكافؤ) .
تحت: P-asymmetry: حالة عدم انحفاظ التكافؤ (أحمر)

إذا كان هناك تفاعل معين يُطبق فيه تناظر التكافؤ، فهذا يعني أنه إذا بُدل اليسار واليمين، فإن التفاعل نفسه سوف يستمر تمامًا كما كان من قبل. هناك طريقة أخرى للتعبير عن ذلك وهي تخيل أن عالمين مبنيان يختلفان فقط بالتكافؤ - العالم "الحقيقي" وعالم "المرآة"، حيث يُبدل اليسار واليمين. إذا كان التفاعل متناظر التكافؤ، فهذا يعني أنه يحدث دون أي فرق في التأثير في "العالمين". كان الهدف من تجربة وو هو تحديد ما إذا كان هذا هو الحال بالنسبة للتفاعل الضعيف من خلال النظر في ما إذا كانت منتجات تحلل الكوبالت-60 قد تم اطلاقها بشكل تفضيلي في اتجاه واحد أم لا. هذا من شأنه أن يدل على انتهاك التناظر التكافؤي لأنه إذا كان التفاعل الضعيف محافظًا على التكافؤ، ينبغي أن تنبعث انبعاثات التحلل باحتمال متساو في جميع الاتجاهات. كما ذكرت وو وآخرون:

إذا لوحظ عدم تناسق في التوزيع بين الزاوية «θ» والزاوية «180°- θ» (حيث θ هي الزاوية بين اتجاه النواة الأم وزخم الإلكترونات)، فإنه يوفر دليلًا لا لبس فيه على أنه لا يُحافظ على التكافؤ في تحلل بيتا.

والسبب في ذلك هو أن نواة الكوبالت -60 تحمل لفًا مغزليًا (سبين)، والسبين لا يغير الاتجاه تحت التكافؤ (لأن الزخم الزاوي هو متجه محوري). على العكس من ذلك، يتغير الاتجاه الذي تنبعث إليه منتجات التحلل في ظل التكافؤ لأن الزخم هو متجه قطبي. وبعبارة أخرى، في العالم "الحقيقي"، إذا كان سبين الكوبالت -60 النووي وانبعاثات منتجات التحلل في نفس الاتجاه تقريبًا، فعندئذ في عالم "المرآة"، ستكون في اتجاهين متعاكسين تقريبًا، لأن اتجاه الانبعاثات سوف ينعكس، لكن اتجاه الدوران يبقى نفسه.[7]

قد يكون هذا فرقًا واضحًا في سلوك التفاعل الضعيف بين "العالمين" ومثله هنا هو تحلل بيتا ، وبالتالي لا يمكن القول إن التفاعل الضعيف يحترم مبدأ انحفاظ التكافؤ في الفيزياء . إن الطريقة الوحيدة التي يمكن أن يكون بها التفاعل الضعيف متمشيا مع مبدأ انجفاظ التكافؤ هي عدم وجود تفضيل في اتجاه الانبعاثات؛ لأنه عندئذٍ لن يكون اتجاه الانبعاثات في العالم "المرآة" مختلفًا عن العالم "الحقيقي" نظرًا لوجود أعداد متساوية من الانبعاثات في كلا الاتجاهين في كلا العالمين على اية حال.

نتيجة تجربة ووعدل

في عام 1957 اكتشفت الفيزيائية الأمريكة الصينية الأصل شينغ-شيونغ وو وزملاؤها ظاهرة عدم انحفاظ التكافؤ خلال تحلل بيتا للكوبالت-60 ، مما يبين أن طبيعة الكون لا تسير على نفس النمظ إذا انعكست بعض الظواهر الطبيعية على مرآة , handedness.[8]

في تجربة وو وجهت عينة كوبالت-60 المشعة عن طريق تبريدها إلى درجة حرارة منخفضة في وجود مجال مغناطيسي . وبينت المشاهدات أن الأشعة الصادرة من العينة أثناء تحلل بيتا β- (وهي إلكترونات) كانت تصدر في اتجاه مخالف بالنسبة إلى اتجاه العزم المغزلي النووي nuclear spin. عدم التكافؤ هذا كان شيئا جديدا في الطبيعة، حيث أن العلماء كانوا حتى ذلك الوقت يعتقدون أن جميع العمليات الطبيعية تسير وفق مبدأ انحفاظ التكافؤ.

المراجععدل

  1. ^ Wu, C. S.؛ Ambler, E.؛ Hayward, R. W.؛ Hoppes, D. D.؛ Hudson, R. P. (1957)، "Experimental Test of Parity Conservation in Beta Decay"، فيزيكال ريفيو، 105 (4): 1413–1415، Bibcode:1957PhRv..105.1413W، doi:10.1103/PhysRev.105.1413.
  2. ^ "The Nobel Prize in physics in 1957"، The Nobel Prize، مؤرشف من الأصل في 6 يوليو 2019، اطلع عليه بتاريخ 02 أكتوبر 2018.
  3. ^ Wigner, E. P. (1927)، "Über die Erhaltungssätze in der Quantenmechanik"، Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen, Mathematisch Physikalische Klasse، 1927: 375–381، مؤرشف من الأصل في 15 يناير 2020.
    Reproduced in Wightman, A. S., المحرر (1993)، The Collected Works of Eugene Paul Wigner، سبرنجر، ج. Vol. A، ص. 84–90، doi:10.1007/978-3-662-02781-3_7، ISBN 978-3-642-08154-5. {{استشهاد بكتاب}}: |المجلد= has extra text (مساعدة)
  4. ^ Hudson, R. P. (2001)، "Reversal of the Parity Conservation Law in Nuclear Physics" (PDF)، في Lide, D. R. (المحرر)، A Century of Excellence in Measurements, Standards, and Technology، NIST Special Publication 958، المعهد الوطني للمعايير والتقنية، ISBN 978-0849312472.
  5. ^ Lee, T. D.؛ Yang, C. N. (1956)، "Question of Parity Conservation in Weak Interactions"، فيزيكال ريفيو، 104 (1): 254–258، Bibcode:1956PhRv..104..254L، doi:10.1103/PhysRev.104.254.
  6. ^ "Chien-Shiung Wu Winner of Wolf Prize in Physics - 1978"، Wolf Foundation، مؤرشف من الأصل في 11 سبتمبر 2014، اطلع عليه بتاريخ 09 ديسمبر 2019.
  7. ^ Boyd, Steve (20 أبريل 2016)، "The Weak Interaction" (PDF)، Warwick University، مؤرشف من الأصل (PDF) في 8 ديسمبر 2019، اطلع عليه بتاريخ 08 ديسمبر 2019.
  8. ^ Wu, C. S.؛ Ambler, E؛ Hayward, R. W.؛ Hoppes, D. D.؛ Hudson, R. P. (1957)، "Experimental Test of Parity Conservation in Beta Decay"، فيزيكال ريفيو، 105 (4): 1413–1415، Bibcode:1957PhRv..105.1413W، doi:10.1103/PhysRev.105.1413.