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《美哉!原子核》系列科普短文:“美美与共”之原子核 精选

已有 3356 次阅读 2021-6-4 09:46 |系统分类:科普集锦

 

 

“和而不同”源于孔子的那句名言:君子和而不同,小人同而不和。九十年代初,著名社会学家费孝通在九十年代演讲中提出“各美其美,美人之美,美美与共,天下大同”这句朗朗上口的名言。“美美与共、和而不同”彰显中国理念。有趣的是,这一精神理念描述原子核科学也是非常合适的。

 

原子核科学领域当然非常庞杂,然而这个学科有一个重要特点,就是从诞生之日起就“对外开放”,与其它领域具有很高的交叉、交流,科学概念、(理论和实验方面)方法论互相借用,共同进步。原子核科学不是孤芳自赏的、不是高冷怪诞的领域,不像有些领域那种说来说去就那么几个问题;而是有非常多的、重要的科学问题。本文讨论的是原子核科学的“美美与共、和而不同”,讨论的主题是原子核科学与其它领域的交流、交叉,共同进步,因此这里不罗列原子核领域众多的科学问题。

 

确实,原子核科学领域像一个人有很正确的三观,和许多兄弟姐妹保持着友好而密切的关系,有极高的亲和力,并具有健康的社会网络。正因如此,原子核科学历经近90年的发展依然是科学的重要前沿领域。我本人是学习传统的原子核结构理论方面,因此讨论的内容主要局限在这个方面。

 

本文用几个小故事来开始讨论这一观点。1994年的时候,我遇到南京大学化学系的一个博士生[汪双喜];他是1992年一起和我从兰州去南京读书的,因此既是同学也是朋友[可惜后来就各自消失在人海中了]。他偶然告诉我说:“哎呀,量子化学是挺难的”。我完全不懂量子化学,因此量子到底难还是不难的看法对我而言是不重要的,也就没有在意。过了一年毕业后我在图书馆里突然看到一本量子化学的教科书,想到了汪双喜的告诫,忍不住翻阅了起来; 可是呢?不翻不知道:量子化学里那些复杂的公式其实与原子核结构理论的公式在形式上很相近;根据我的印象,许多公式几乎一模一样,而且原子核结构理论内容比量子化学的内容多,在数学形式上更复杂。

 

我经历的故事当然是不足为凭的,这里我再说一个名人的故事:Francisco Iachello 教授。在2000 年春天Iachello 受邀访问RIKEN, [根据我的回忆]邀请方不是来自于核物理方面的同行,而是来自于化学方面, 是RIKEN 做化学方面的同行给他申请了一个短期位置 (eminent scientist), 理由是因为Iachello在化学方面贡献。我对于 Iachello 教授在化学方面的具体贡献不了解,不过知道他提出过 一个 sp 玻色子模型,被称为vibron model,据说很成功。Iachello 的主要成就是他和有马朗人(Akito Arima 先生)一起提出的原子核低激发态结构的 sd 玻色子模型。从这些模型的名称上,大家一下子就看出来了:化学中的 vibron model 和原子核结构理论中的 sd 玻色子模型其实是非常接近的、理念和方法几乎可以直接套用。Iachello 有了 sd 玻色子模型的理论知识,重走一遍更简单的 sp 玻色子岂不是如探囊取物? 我没有直接动手做过 vibron model 的计算,不过我在从事随机相互作用多体系统的研究工作时,仔细研读过一些同行采用 vibron model 的计算过程和数值结果,整体看 vibron model就是 sd 玻色子模型的翻版、一个空间更小的玻色子模型。这里没有任何贬损Iachello 的意思;相反地,我深感Iachello 能抓住两个系统的相似性,快马快枪一举做了很多工作是令人敬佩的。

 

假如有人觉得 Iachello 的事情还不足为凭,那么我再说几句许多人都知道的一个历史事实。为了说明这一点,请允许我暂时跑题远一点,说说在我眼中三十年前的状况。似乎在九十年代前期开始,原子核物理的发展在全世界范围内陷入了低谷、士气不振,那时有一个科学共同体的一个错误思潮认为原子核物理作为一个科学前沿不再像过去那样有生命力了,这种思潮也许是多个名人名家的说法被到处传播的结果,不然为什么会有这种看法呢?当然,实际上这种事情在核物理领域也不是第一次出现,例如在三十年代中后期,著名学者 Niels Bohr片面地解释Pb-208 的慢中子散射共振峰,长期误导了当时学界的几乎所有学者,而认为原子核不可能存在壳层结构。在 1993年3月在祖国的宝岛台湾举办了一个核物理会议,H. Feshbach 做了总结发言[Nuclear Physics A 570, Issues 1–2, 429-437 (1994)],他在文中写道:“他在美国被诺贝尔奖获得者们很无礼地质问:‘你[这么聪明]浪费精力在核物理上干什么l’ ”。我阅读这篇文章的时候还在南京读博士,那时在国外期刊发表一篇核物理文章比较不容易,核物理远远没有凝聚态物理那么热火;因此作为学生的年轻人容易怀疑自己是不是投错了胎、是否应该跑到另一个领域去。这个想法对于每个年青人都是很自然的事情;而我之所以留下继续学习核物理,部分地因为 Feshbach 那篇文章给我打了气[那篇文章确实对我人生比较重要]。他说的重要一点就是核物理概念与其它领域的交叉、共同进步 [还有新技术研究原子核的新形态—这是我下一篇科普文章的主题], 也就是本文的主题,原子核科学与其它前沿领域的共生共美。 [请原谅我用这么多文字来解释我对于原子核科学与其它学科领域“和而不同、美美与共”这一关系的认识历程;不过个人经历其实也是很有说服力的。]

 

那么,原子核为什么能够与其它科学领域能够“美美与共、和而不同”?我乱答曰:这是因为许多科学领域面临与原子核科学相类似的困难问题,其中一个重要方面是系统结构的复杂性质。现代科学许多领域面临着一个共同的问题是多粒子系统的复杂运动形态,而原子核结构是理解复杂的多粒子系统的一个最好的平台;因为原子核系统重要,因此人们花了很大力气去探究原子核系统运动的特点,极尽所能发展质子-中子通过强相互作用的多体系统结构理论,面对原子核这么复杂的系统,人们只要能够想到的方法都立即去尝试一番。因此,原子核理论是人们认识和理解量子多体系统的顶峰[或者极少的高峰之一]。

 

现在已知的事实是,其实许多相互作用的多体系统具有类似的结构性质;人们开始说:量子多体系统本身存在很多共性;这些共性甚至不敏感地依赖于相互作用的细节,而是更依赖于模型空间的复杂度[见本文作者及其合作者的综述论文: Zhao, Arima, Yoshinaga, in Physics Reports,Volume 400, page 1-66 (2004)]。所以,容易想到的是原子核系统具有的运动形态在其它微观系统中或多或少地有类似的影子,甚至极端情况下几乎是一致的,只有能量的量级差别;原子核内的能级间距单位在 keV 或 MeV, 而在原子世界中主要是 eV 量级,一些理论直接搬过去稍加修饰就可以使用。因此,受到过严格多体问题训练的核物理学家出走到其它领域很容易适应,事情情况确实如此。在九十年代到二十世纪末一批核物理学工作者转行到其它问题,研究如金属团簇、量子点、冷原子系统等问题,而且都很成功。

 

这里应该说明的是, 原子核科学并不是单方面对外输出的学科,它和许多领域双向交流。这是非常重要的一点。例如目前原子核结构的密度泛函方法其实在凝聚态、化学、材料科学领域里也是主流方法论,在那些学科领域中密度泛函更流行,论文远远多于原子核物理方面;金属低温超导的 BCS 理论 是凝聚态的成就,在原子核结构理论里也是一个基础理论;很多人听到过的量子混沌问题其实很大比例的研究工作是传统核物理学工作者在原子核系统的研究中取得的成果;我们前面说过多次的配对理论的经典之一 seniority scheme 其实是Racah 在原子物理中的成果;壳结构以及价粒子主导的集体运动也是多种量子系统具有的。

 

下面提一个核物理的“表弟” ---- 粒子物理与(传统)核物理的联系。现在国内把核物理与粒子物理作为一个专业,其实两者是有区别的,基本上是两套人马[夹在核物理与粒子物理之间的是高能核物理;高能核物理似乎慢慢也分出去了,这些领域的学者们更关心核子或强子的夸克自由度]。关心的科学问题不同,共同语言就少了,那些报告就不再急迫地感兴趣了;毕竟大家很忙于自己手里的活计,如果太关心别人细节,自己工作的精力就不够集中了。当然,我们要说的还是看它们之间的联系。这里只提一个问题:  原子核的beta 衰变过程。beta 衰变当然是传统的原子核过程,是传统核物理的基础内容;李政道、杨振宁提出弱相互作用过程宇称不守恒,却是吴健雄及其合作者通过beta 衰变实验证明的。针对国内外粒子物理领域当今很火的一个科学问题“中微子是不是 Majorana 粒子”,粒子物理领域实验工作者试图通过测量某些原子核无中微子双beta 衰变实验来回答,相当部分的参与者是传统核物理工作者。

 

下面再提原子核物理与天体物理的联系。恒星的演化当然主要是核过程,宇宙各种元素(除了氢之外)的合成过程都是核过程,宇宙内致密星体研究需要是详尽的核物质状态方程。核天文学(nuclear astrophysics)的需求是某些核物理测量与理论预言重要的推动力,例如兰州所测量远离稳定线原子核的质量[理解宇宙元素分布的丰度]、原子能院[在低本底下]测量核天体物理相关的关键核反应等。

 

从上面的讨论容易看出,原子核科学确实是一个与其它科学领域广泛交流的(也许是交流最广泛的) 的学科,这是原子核科学领域的一个特征。一家人过日子,与邻里关系融洽是非常重要的,一个领域的发展也是如此。

 

部分因为这个原因,原子核科学发展很健康。原子核科学建立与发展接近90年、到了21世纪仍然活力四射、青春常驻。原子核科学不是一个听起来神秘的、对外“高冷”的小圈子,原子核科学是开放式的,不断有“源头活水来”。由于原子核领域科学问题自身的魅力,伴随着其它领域新理论的发展和实验技术的进步,人类对于原子核系统的研究和理解不断取得新进展是必然的。

 



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