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核结构的研究始于1932年查德威克发现中子后研究者意识到原子核是由质子和中子构成的复杂量子体系。所以可能的原子核有很多,稳定的,以及不稳定的。量子色动力学被发现以后,我们知道核结构的基础是量子色动力学,但是从这个基本理论理解核结构几乎是不可能的事情,因为计算太复杂了。
更关键的是层展的现象。量子色动力学支配夸克和胶子之间的作用。这些作用首先是构成了质子和中子,然后还有这些核子之间交换的中间粒子,各种介子。这个理解图景虽然一直都存在,汤川秀树凭借这个研究获得了诺贝尔物理学奖,但是我们已经知道,核子之间的相互作用是剩余的量子色动力学作用,与胶子由很大的关系。
这里边还涉及到超导现象,也就是核子配对的现象,这是更低能尺度的问题。
所以核结构的性质,是由几个不同的尺度的物理共同支配的。这一点虽然已经被意识到,但是如何来讨论问题,却依然不清楚。因为低能下的夸克禁闭,我们依然不清楚具体的机制。
所以核结构的问题的基础非常复杂繁琐。
正是这样的原因,也导致我们对于核结构的理解只能依赖于实验结果,而已经有的观念也往往会出现问题。
从1932年开始,一些研究者,就看到了一些原子核在特定的质子数和中子数的时候,会特别稳定,激发能很高。这意味着出现了能隙,意味着单粒子激发。这个在今天看来已经是常识的事情,在当时是非常不可思议的。复杂的多核子系统,居然可以被平均场来描述,有些超出意料。
这方面的工作,到了1949年,被迈耶和简森等人通过引入自旋轨道耦合作用,在平均场的基础上彻底解决了,奠定了壳模型的基础。
在开始的时候,很多人都相信,原子核的基态是球形的,这源于把原子核看成是一个带电的液滴的想法。到了1950年,一些研究者开始意识到,当然也是看到实验的数据,原子核的电四极跃迁的变化非常大,原子核会发生形变。这被雷恩沃特所讨论,也被惠勒意识到。
随后,阿格.玻尔和莫特尔逊构建了几何模型,从经典的电四极形变量子化开始,构造了哈密顿量,解释了长椭球形核的转动谱,这也在实验发现了。
关于核结构的理解一直在变,而群论的方法的应用使得一些问题变得简单。Elliott利用SU(3)对称性,把壳模型和形变联系在了一起,也让人大吃一惊。这是第一次把两种完全冲突的途径融合在了一起。但是似乎只能应用在轻核上。
随后赝SU(3)对称性,以及最近Bonatsos等人的proxy-SU(3)对称性的出现,彻底改变了过去关于单粒子轨道的观念,SU(3)对称性可以很好的支配所有的能壳。
相互作用玻色子模型在1975年被Arima和Iachello提出,也是很让人吃惊,因为这个模型居然说原子核的低能行为可以被相互作用的玻色子所描述,和正是层展现象的体现。
而另一方面,平均场的出现,似乎意味着剩余相互作用只有两体作用起作用,高阶作用不重要。这个观念也是深入人心,多年来一年支配着核结构的具体计算。特别是在壳模型中,几乎已经成为了确定的规则。
随着我提出的SU3-IBM,通过具体的计算开始发现,不管是SU(3)对称性,还是高阶作用,实际上都起着决定性的重要作用,以前的观念是不对的。
特别是最近的新工作,百分百的证明了SU3-IBM的正确性,证明了核结构中高阶作用的存在,这可能让许多人都无法相信。
一边是平均场,一边是高阶作用,甚至是四阶作用,这怎么可能呢?在一般性的逻辑上的确不可能,但是如果超导现象的尺度,夸克禁闭的尺度,以及夸克胶子彼此作用的尺度是纠缠在一起的,那么重整化就会在核结构的低能上失效,这就是可能的。而在所有的尺度上,如果SU(3)对称性都会起作用,那么我们也许可以理解它。
这些意料之外的结果,在开始出现的时候,可能都会让人难以相信,随着越来越多实验证据的出现,就会慢慢变成习以为常的结论了。
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GMT+8, 2024-11-22 21:20
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