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真假美猴王:原子核的两种图像 精选

已有 6865 次阅读 2025-1-29 00:01 |系统分类:科普集锦

    

    现实生活中长得很像的人是蛮多的,所以会有特型演员;有些兄弟长得很像,特别是很多双胞胎在外人面前甚至能以假乱真。这方面的最好例子是《西游记》中的真假美猴王:连师傅和师兄弟、甚至观世音菩萨都无法分辨两个猴子哪个才是真的孙悟空,只有法力无边的如来佛才认得,可见这两个猴王之间差异多么小。而在原子核的研究中,人们也有这类事情,辨明原子核某些特别状态的细节和本质是很难的。

 

   在上世纪六十年代,人们曾经遇到过这种类似情景,即一个不正确的组态也能给出与实验结果相近甚至比较符合的计算结果,因为那时还处于“组态-相互作用“壳模型理论发展的早期,实验数据有限、计算条件不好,能够做的也不多,碰到这种问题颇有些无奈的心理,当时有专门的会议讨论这个问题,这个问题被称为所谓的pseudonium (这可能是当时那些学者们为此而专门造出来的词:大概意思是赝组态现象)。现在还能查到当时的会议和相关讨论,回头看那些内容其实非常生动有趣。但是,后来的pseudonium相关讨论在核物理中就没有多少痕迹了,这是因为实验数据很快增加后,原来无法分辨的组态可以通过更多的物理量结果反推回去,这样一来那些所谓pseudonium就被消除了,就不用再谈了。本文讨论当今原子核结构领域研究中的一个问遇,这种情形不是像组态pseudonium那样直白简单的,历程也不是那么顺当(现在还远未结束),而是十分微妙的、很接近真假悟空的那种。

 

为了解释这里的“真假美猴王”,我们先对于量子多体问题做一个简单说明:在研究量子系统的束缚态问题时,在阐述微观系统状态方面人们有一个完备的神器,就是所谓的波函数;系统的所有信息包含在波函数里,所有的物理量期望值都可以从波函数里提取出来,两个状态的相似或差异都可以通过操作波函数而知道。在理论上,“正确”[见注释1]的波函数就是至高无上的。

 

   有了这个背景说明后,再看这方面的真实原子核理论和实验研究。原子核是一种非常复杂的量子系统,可以说是自然界最复杂的系统;但是人类很聪明,通过选取好的视角,可以直接而深入地理解原子核的许多性质。原子核内质子-质子之间、中子-质子之间、中子和中子之间存在很强的吸引力,这种特点导致在原子核低激发状态下呈现出各种配对现象。本文讨论的是两种完全不同类型的核子配对所构造出来的状态,一种配对是同类核子配对,即质子-质子配对和中子-中子中子配对,另一种是中子-质子配对[见注释2]。

 

在同类核子配对(质子-质子配对、中子-质子配对)方面,人们从实验到理论都已经做得很好,而中子-质子配对状态却一直没有找到系统化的实验现象,在原子核的基态和低激发态方面至今依然是比较神秘的。本来,中子-质子那种类型的配对应该是很强的,甚至应该比传统的质子-质子配对、中子-质子配对还要强,但是实验观测上一直不太给力;而理论往往跟着实验走,也一直没有说出一个自圆其说的“子丑寅卯”。当然,人们也不是完全没有见过这种现象,例如氘核就可以说是一个中子-质子配对的状态;除了这个例子以外,人们近年来“应该说(本文作者认为)”还找到了一个比较好的实例,这方面我们国内兰州所的LZ 在相关实验中起到了很大作用。不过,中子-质子配对现象在总体上还是未解之谜。

 

   为什么研究系统化的中子-质子配对组态的现象这么麻烦呢?这是因为两个核子配对需要它们足够靠近,为此质子和中子最好处于同样的轨道上;当核子处于高角动量轨道时这种结果最明显,为此最佳实例是质量比较大的原子核,而对于很重的原子核,中子数和质子数差异比较大,一般不会在同一个轨道上。把自然界中所有可能的同位素扫描一遍,可以发现同时满足这两个条件最优越的同位素位于质子数和中子数都接近50的区域,但是系统地研究那个区域的原子核结构是有难度的,因为那些原子核都很不稳定,产生这些核素很困难、即使合成后再测量也很有挑战。因此能够进入该区域、合成足够多的核素、具备合适测量装置的实验研究组才有这方面最大的发言权。

    

     在十多年前这方面研究曾出现一个热潮;这是因为有个别实验组具备了那些条件,它们测量了质子数和中子数都等于46的同位素低激发态能级,并认为这个同位素低激发态结构与人们期待已久的那种质子-中子配对现象,当时的理论计算(QC在其中发挥了重要作用)似乎也支持这个图像;根据壳模型计算,那些低激发态可以看作(主要)由那种人们眼中很期待的中子-质子配对作为基本构件所搭建起来的;因此人们在那个区域开始努力寻找和验证所期待的中子-质子配对现象。但是随着时间的推移,很多理论学家开始反思这个图像,并慢慢地对“已知”的结果感到比较疑惑。  

 

本文作者的研究组曾经在那个时期有幸或不幸地卷入到这个“战火”中,当时我们组FGJ 恰逢其时地发展出一种特别合适的理论工具,就是能在统一基础上同时处理多个轨道的各种配对(中子-质子配对、中子-中子配对、质子-质子配对) [见注释3];这种“完备”的配对空间大规模计算至今似乎依然只有我们这里可以干。但是很遗憾,干了半天,结论并不好,或者说越来越疑惑。疑惑在哪里呢?不论是多个轨道的计算、还是单个轨道的计算,把整个原子核的组态看作是由几个传统的质子-质子配对和中子-中子配对所构造出来的,与这里所期待的由几个中子-质子配对所构造出来的,两种组态的图像可以说十分相似。当我们去看那个万能的波函数时,注意到传统同类核子配对组态的波函数与期待的中子-质子配对组态的波函数在模样上很接近,它们与完整的壳模型波函数也都比较接近。初想起来这实在比较奇怪,因为两种不同配对的组态在波函数方面居然会长得很像!这就好比母鸡和公鸡十分不同,但是把几只公鸡通过某种方式组合成一队、几只母鸡通过某种方式组合成一队,结果可以证明两队在实质上相差无几,岂不怪哉!这种波函数的构件很不相同、然而多体波函数却十分相近的现象一下子就弄得我们手足无措,非常像碰到了《西游记》里的两个悟空一样,很难说清谁是、谁不是。虽然本文作者彼时在其他研究中也见过了一些“风浪”,但是依然感到心里面拔凉拔凉的、难受极了[见注释4]。后来本文作者关于这方面结论的口头禅只是“不好说、说不好”,听着有点儿像捣糨糊,其实是无能为力、无处着力。

 

也可能是这方面积累还不太够、不够深入 (风头来的时候人们蜂拥而至、风头一过人们很快就转到其他方面去了),这些年在这方面好像并没有开过专门的、有较大规模的国际学术会议,因此本文作者不太知道其他同行对这个现象的心理历程;但是可以感受到这一点。实际上,其他研究组也有多篇论文中注意到了这两种不同组态(同类核子配对、中子-质子配对)波函数的高度相似性,那些同行们无可奈何的心情可谓一目了然,而偶尔的交流一般也都是两手一摊。这里关键问题是:人们到底还能不能明确地分辨出这里的“真假美猴王“,即怎样获取所期待的中子-质子配对组态的指纹。如果基于传统的电磁跃迁去辨别,就需要足够的实验统计;特别是只有在所有低激发状态都由某种配对机制给定的假设下,从低激发态的电磁性质演化才能看出定性的分别;而只要基态和低激发态的图像不断变化或者是一种混合状态,这种想法也就失灵了。

 

近期这件事似乎出现了一缕希望的曙光;这缕曙光就是变“赛道”,这里新赛道是贝塔衰变。贝塔衰变也不是什么高大上的东西;不过是核结构中的老大难问题。这个衰变率的计算对于波函数细节十分敏感,但是贝塔衰变是弱相互作用过程,如果存在电磁衰变,就会把弱作用过程的计数掩盖起来,因为电磁过程比弱相互作用过程快得多。因此,实际上用贝塔衰变作为取证的方法,只能研究基态或者电磁过程禁戒的状态。

 

为了准确分辨出不同配对状态,当然需要贝塔衰变过程的相关输入。贝塔衰变的实验数据是现成的,现在的问题是看哪一种配对态能够符合实验结果, 因此在构造出不同的配对状态波函数后,只要按部就班计算出贝塔衰变速率就可以了, 这个新思路是我们组的MC 提出的。虽然这个过程也有某些矩阵元的不确定性,但是通过相邻原子核的贝塔衰变实验值,那些不确定性可以被大幅减少甚至几乎被消除掉;因此这个”新赛道“也许真的就是一种比较靠谱而灵敏的新探针。

 

现在计算结果如何呢?唉!还是(继续)不太支持前面提到的中子-质子配对状态, 说得干脆一点儿,初步的计算结果对于这种图像是否定的。在单轨道组态下的、质子数和中子数都是48的同位素结果不支持这种新型配对组态的图像,而多轨道的壳模型计算与传统的同类配对图像也没有直接矛盾,真可谓不如意事十之八九也!!

 

 在这方面希望蛇年有一些好运 … …

 

注释:

 

[1] 量子多体问题没有严格解,原子核是复杂量子多体系统,求得的波函数只能是近似的。所有原子核波函数都是模型近似的结果,这些波函数只能逼近造物主手里的真实,所谓正确的波函数只是近似的、相对的。

 

[2] 这里中子-质子配对指的是单轨道上中子-质子的总同位旋等于零、总角动量最大或最小的情况。一般认为,这种配对的能量比同类核子的配对能量更低,因此期待这种情况也是很普遍的。同位旋是质子、中子的内部自由度,是一个很好的守恒量。

 

[3] 在核结构理论计算中,如果能做多个轨道的计算,那么多轨道的计算更好;如果能做多个壳层的(完整)计算,那么多壳层计算更好;而这些所谓更好的计算都是越来越复杂。不过,如果描述原子核的“真实状态”需要这些复杂的成分,即使再复杂也必须要通过不同的路径去尝试;严格计算行不通就去合理近似。

 

[4]  本文作者感到很多问题的解答或许都是此生无望的,有些问题甚至可能最终无解。但是也不必太悲观,造物主往往给人们关上一扇窗户、同时另一扇窗户却不上锁。这种山重水尽疑无路、柳暗花明又一村的过程非常有意思,这不仅反映造物主的机巧,也是人间可见的大奇观。

 



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IP: 223.71.214.*   | 璧� 璧� +1 [21]闄嗛泤鑾�   2014-9-4 19:52
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IP: 218.20.36.*   | 璧� 璧� +1 [20]寰愭檽   2014-9-4 19:51
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2014-9-4 23:241 妤硷紙鍥炲妤间富锛� 璧� 璧� +1 |
IP: 210.75.52.*   | 璧� 璧� +1 [19]榛庡   2014-9-4 14:59
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2014-9-4 23:231 妤硷紙鍥炲妤间富锛� 璧� 璧� +1 |
IP: 218.194.4.*   | 璧� 璧� +1 [18]椹   2014-9-4 10:49
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2014-9-4 12:411 妤硷紙鍥炲妤间富锛� 璧� 璧� +1 |
IP: 124.170.69.*   | 璧� 璧� +1 [17]鏇炬吵鏄�   2014-9-4 08:43
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2014-9-4 12:401 妤硷紙鍥炲妤间富锛� 璧� 璧� +1 |
IP: 75.39.97.*   | 璧� 璧� +1 [16]浣欐槙   2014-9-4 08:01
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2014-9-4 12:361 妤硷紙鍥炲妤间富锛� 璧� 璧� +1 |
IP: 130.192.147.*   | 璧� 璧� +1 [15]angrybirds   2014-9-4 00:03
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2014-9-4 12:341 妤硷紙鍥炲妤间富锛� 璧� 璧� +1 |
IP: 159.226.163.*   | 璧� 璧� +1 [14]钄″簡鍗�   2014-9-3 23:28
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2014-9-4 12:331 妤硷紙鍥炲妤间富锛� 璧� 璧� +1 |
IP: 111.85.2.*   | 璧� 璧� +1 [13]xuan1036   2014-9-3 20:25
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2014-9-4 12:321 妤硷紙鍥炲妤间富锛� 璧� 璧� +1 |
IP: 202.113.11.*   | 璧� 璧� +1 [12]鏉ㄦ鐡�   2014-9-3 20:01
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2014-9-4 12:311 妤硷紙鍥炲妤间富锛� 璧� 璧� +1 |
IP: 130.158.152.*   | 璧� 璧� +1 [11]鏌崇娴�   2014-9-3 18:29
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2014-9-4 12:301 妤硷紙鍥炲妤间富锛� 璧� 璧� +1 |
IP: 124.170.69.*   | 璧� 璧� +1 [10]鏇炬吵鏄�   2014-9-3 15:27
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2014-9-4 03:521 妤硷紙鍥炲妤间富锛� 璧� 璧� +1 |
IP: 101.5.160.*   | 璧� 璧� +1 [9]鍒樼珛   2014-9-3 15:19
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IP: 218.104.69.*   | 璧� 璧� +1 [8]jiareng   2014-9-3 14:22
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IP: 219.82.136.*   | 璧� 璧� +1 [7]闄堟箻鏄�   2014-9-3 13:09
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2014-9-4 03:501 妤硷紙鍥炲妤间富锛� 璧� 璧� +1 |
IP: 223.11.15.*   | 璧� 璧� +1 [6]閽熺偝   2014-9-3 12:36
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2014-9-4 03:491 妤硷紙鍥炲妤间富锛� 璧� 璧� +1 |
IP: 222.219.184.*   | 璧� 璧� +1 [5]biofans   2014-9-3 12:22
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2014-9-4 03:281 妤硷紙鍥炲妤间富锛� 璧� 璧� +1 |
IP: 113.99.4.*   | 璧� 璧� +1 [4]eastHL2008   2014-9-3 12:21
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IP: 61.183.148.*   | 璧� 璧� +1 [3]寮犺兘绔�   2014-9-3 11:28
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IP: 123.115.244.*   | 璧� 璧� +1 [1]clp286   2014-9-3 10:45
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