SU3-IBM分享 http://blog.sciencenet.cn/u/qiaoqiao1980 努力揭开更多原子核的秘密

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SU3 vs IBM,一场完全意料之外的邂逅

已有 1170 次阅读 2024-6-10 22:49 |个人分类:心智之旅|系统分类:观点评述

    不出十年,SU3-IBM将会被核结构领域的研究者所理解和研究,我相信这一点。而这将会带来让人困惑的问题,如此显然的事情为什么会这么晚才出现呢?毕竟SU(3)对称性的思想在1958年就已经被Elliott提出来了,而IBM(相互作用玻色子模型)的想法虽然晚一些,也在1975年被Arima和Iachello提出来了。这两种想法到2019年我开始把它们一起和现实的核谱联系在一起的时候,已经过去快45年了。

    在1975年出现IBM以后,Elliott也是研究这个新理论的一个主要的研究者,但是依然没有把二者真正的融合起来,这是一个让人惊奇的事情。

    实际上,每一个代数领域的研究者都会精通SU(3)对称性和IBM,但是在这些研究者中,SU(3)对称性只是IBM的一种可能的极限,没有人提出SU3-IBM。

    实际上,从数学上研究上SU3-IBM并不是一件困难的事情,Isacker一直在推动关于它的理解,但是步伐缓慢。直到2011年Fortunato等人的工作,以及2012年辽宁师范大学张宇教授的工作开始,才开始有一些讨论,一些真正新颖的想法终于开始出现了。

    如此漫长的时间是让人困惑的,也是值得研究和思考的。

    对于我自己来说,提出SU3-IBM也是一件纯属意外的事情。在2019年之前,我没有听到任何关于核结构有问题的事情。在研究IBM的时候,我更多关注的是编制程序,对于理论我也只是局限在那些熟悉的内容上。虽然实验和理论之间出现了冲突(我到了2019年初才知道),但是没有人相信,核结构居然真的出现了问题,一些观念限制了核结构的真正有价值的想法的出现。

    原子核在1911年被发现以后,我们就知道它是一个复杂的量子多体系统,但是对于量子多体这个概念,我们缺乏理解的深度。到了1932年,随着查德威克发现中子后,研究核结构的人开始知道,原子核是由质子和中子构成的,开始了核结构领域的真正研究。虽然在这之前,也有研究,那肯定是错误的。

    问题就是原子核是一个复杂的量子多体系统,核子数和中子数可以有很大的变化。虽然这一点我们一直都知道,但是我们没有做好足够的心理准备来思考它。

    我们已经意识到,这个系统可能很奇特,甚至一些想法会互相冲突。当然,这在量子力学的世界似乎总是存在的,比如波粒二象性,这让爱因斯坦很奇怪,让很多人都不相信。我们不相信互相冲突的概念和想法,但是这世界从来都不是给人准备的,它从来不在乎人类是否觉得它矛不矛盾,冲不冲突。

    这样的教训很多,但是研究者总是忘记它。在1949年之前,对于核结构的理解就有着两种冲突的观念,一个是单粒子势的观念,一个是集体激发的观念。不过想一想人类社会,既有自己的活动,也有集体的互动,似乎也不是那么难以理解。但是在那个时候,的确还是很困难的。

    核子各自的活动,好像可以产生集体的表现,怎么看都是一个不太让人相信的事情。

    1950年前后,两个观念都得到了确定,不管研究者觉得冲不冲突。

    1949年,迈耶和简森等人的工作,确定了单粒子势的正确性,单粒子的确可以独自活动。1950年,雷恩沃特提出了形变的想法,给出了集体运动的证据。1951年,阿格.玻尔和莫特尔逊一起建立了几何模型,解释了长椭球的转动谱。

    两种观念都是正确的,这开启了核结构领域的全面研究。也许有些核是单粒子的,有些核是集体的,两者之间并不交集。

     1958年,Elliott给出了一个极具启发性的范例。他利用把常规的电四极矩算符映射到SU(3)对称性下的电四极矩的算符,引入了SU(3)对称性,把单粒子行为和集体行为联系在了一起,指出这两者其实是同一个硬币的两面。

     这极具启发性,让做核结构的研究者沉迷其中。

     冲突的想法,不是一个怪胎,而是真实世界的描述。

     但是在这里其实就已经开始发生了分歧。有的研究者认为,关键是两体作用,于是开了壳模型的大尺度计算,计算的空间越来越大。由于能解释的现象越来越多,所以很多人都相信,多体作用看起来不是一个重要的事情。而且由于重整化观念的泛滥,在低能下,似乎也很难想象多体作用会起作用。

     只有少数代数方法的研究者,相信SU(3)对称性的关键性,在这个基础上摸索前进。这就是一个观念上的事情。正是在SU(3)壳模型的研究中,这里Draayer做出了巨大的贡献,才为高阶作用的研究保留了一点火种。很多做壳模型的,其实都不知道Draayer等人的工作。

     IBM的出现,进一步加剧了这种认知。这里边的关键,就是发现O(6)对称性,可以非常好的描述γ软核,这是一个两体作用。一切都这么的完美。

     我一直说,核结构的历史非常值得研究,就是这样的。一个想法,是如何一步步地被认为是没有问题的,是被证实的。而其实,我们被没有真正的认真对待它。哪怕当问题出现的时候。

     因为太难了,似乎看不到错误的可能性。

     如果平均场就是很好的近似,如果两体作用就能给出绝大部分的实验解释,的确看不出来为什么还需要高阶作用,为什么还要研究SU(3)对称性。

     就好像天上有一朵云,看起来好像是一条龙,反复的看,那就真正的成为了一条龙,虽然我们知道这是不可能的。

     我不知道在2000年前是否真的有可能会出现新的想法,但是很显然可能性太小了。和这些观念不一样的想法很稀有,而且偏门。1981年,Isacker和陈金全先生指出,IBM需要高阶作用。但是更多的人相信,可能也包括他们自己,当区分质子和中子的时候就不需要了。但是Isacker还是借鉴了Draayer等人的高级作用的想法,继续推动这个研究。1985年,他和合作者在IBM中考虑SU(3)对称性的高阶作用。在2000年,他和合作者才给出了SU(3)极限下的刚性三轴转子的对应。

     想法非常缓慢,怎么看似乎都是数学上的把戏,而与现实无关。

     但是从2000年到2020年,很多东西开始变得不一样。一个重要的事情,就是在IBM中推广了以前的结果,把扁椭球加入了进来。他们用一个可以描述长椭球的方式,来描述扁椭球,这在数学上引入了一种对称性。

     这种对称性让很多人兴奋,写了两篇PRL,甚至评论性的文章出现在了Nature上。这就好像超弦的出现,引入了超对称性,让很多粒子物理的研究者极其兴奋了许多年。对称性肯定是漂亮的,但是它也导致会出现严格的结果。对称性会对实验结果给出进一步严格的限制。在这里,就是扁椭球和长椭球的能谱是一样的。

     他们的确去研究了这种长椭球到扁椭球的现象,但是没有去严格的研究这种对称性存不存在。这是让人惊奇的。如果他们认真对待这种对称性,以前的IBM的观点自然就出现了问题。但是没有。

     我认为在本世纪初,观念的转变就应该发生,但是没有。

     因为实验以很肯定的方式,表达了这个世界的真相,这个世界没有这种对称性。原子核中不存在这种对称性。这篇文章我也看过,但是我是刚入门的学生,也没有去用程序算一算。没有人会相信,那篇文章里边藏有答案。

     最重要的突破,其实导致了最重要的证伪,暴露了真正的问题。

     所以说老的观念,的确是阻碍进步的根本原因,可是又有谁会愿意打破这种观念呢,又凭什么来打破呢?当证据出现的时候,又有谁能看到它?

     观念的转变太难了。

     虽然我一直在科学网谈这种转变,但其实当下只是有少的研究者注意到了这些问题。

     这样的转变是在无意之中发现的,即使对于我自己也是完全意料之外的。在这个突变之前,我也是坚持老的观念的。按照道理说,讨论长椭到扁椭的变化,是最容易出现突破的。但是,可能是因为研究这些的都是权威,所以反而没有人真正的去对待它。新的对称性让人很激动,就好像超对称的出现,让粒子物理的研究者很激动,就想当然的认为它一定在实际中也会出现,而没有再认真的思考它。

     这确实是一件很奇特的事情。超对称一直没有实验的支持,但是很多人都相信它。

     导致我的观念转变的,是一个奇幻的事情。我在2019年初注意到了球形核疑难,这个问题之所以没有更早的注意到,是因为这个现象被放在了形状共存的问题里,而我一直没有去关注这个问题。

     直到2019年初,由于这个主题被发表在了近代物理综述上(2011年),我才开始看这个综述(从2011年起,我就不做核结构好多年了),才发现了这个问题。我才意识到,原来理论和实验确实是有冲突的。于是我用编制好的程序去算一算,结果却让我大吃一惊。随后正好是2019年的下半年,我开始查阅PRC上的文章,我注意到了B(E2)反常,又一个奇怪的结果,然后我用了两周的时间来计算这个反常,也是让我大吃一惊。

     一个具有SU(3)对称性的哈密顿量,似乎都能解决这些问题。很多年,我都在编制这个程序,但是我一直都不知道它有什么用。由于一些错误的理解,我其实很长一段时间觉得它没有用,然后就选择读博了,离开了这个领域。

    读博虽然很艰辛,但是也不是没有意义,对于我来说更是非同小可,因为我的确成长了起来。在磨砺中,我似乎开始变得不一样了。由于一些经历,我开始怀疑很多东西。而在读博期间,我和以前的学生一起提出了基于热态的后选择弱测量理论,让我开始有些很相信自己也许能做出很不一样的东西。这个理论,我现在依然觉得非常重要,我正打算进一步去发展它。(我好像走了狗屎运,踩了好几次)

     我开始意识到,我似乎找到了描述实际原子核的真正的哈密顿量。但是我的理论基础太差了,到了去年,才开始理顺了这个事情的来龙去脉。特别是关于长椭到扁椭的理论研究,和实验结果的一致,使得我相信,SU(3)对称性和IBM经过漫长的时间后开始融合在了一起,这里边的关键是高阶作用。虽然没有多少人相信这是真的,但是实验的数据已经告诉了我们答案。

     最近的两篇文章,已经让这个理论的可信性,从以前的百分之五十,上升到了百分之一百。看到结果的研究者一定会大吃一惊。

     这是一个超出所有人预料之外的邂逅,也包括我自己,在各种阴差阳错之下,我们开启了核结构精密核谱学的新时代。我们用了一个世纪的光阴,才找到了正确描述核谱的准确的哈密顿量,这是一个不可思议的故事。而实际上,它一直就在那里。

   

    



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