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原子核中奇特的大尺度和小尺度的干涉作用

已有 189 次阅读 2024-7-4 21:18 |个人分类:我思故我在|系统分类:观点评述

    原子核展现了一种周期性的结构,这种结构的明显表现就是幻数的存在。幻数的存在揭示了核结构中平均场的存在。在三维简谐振子的基础上,考虑自旋轨道耦合作用(相对论效应),的确解释了幻数。这是核结构领域最重要的结论之一。

    从核子核子之间的相互作用来说,这让人困惑。因为核子之间的相互作用,很显然,是一种短程的作用。原子核的半径为5fm左右(重核),核子的半径为0.84fm左右。所以很显然,原子核是大量的核子彼此粘连在一起的。这样的一种作用,居然产生了平均场,这是让人很惊奇的事情。虽然这和泡利不相容原理有关,但是这结果依然惊奇。

    日本科学家汤川秀树首先解释了核子核子之间的强相互作用是通过介子来传递的。所以形式上我们看到,原子核的哈密顿量,从核子的角度来说,就是核子的动能,以及核子之间的势能(形式其实很复杂)。如果是大尺度的,也就是低能的部分,很难想象,这个哈密顿量,会产生一种周期性的结构。

    从凝聚态那里得到的结果是,低能的激发,一般来说可能和具体的作用细节无关,正是因为这样,可以用量子场论来理解凝聚态物理。也就是平均场。也就是说,低能的相互作用,往往是刚性的结果,只是和这个系统的宏观性质有关。并且往往会出现对称性自发破缺。

    在核结构中,也是如此。一方面核结构的研究者,会告诉我们,由于平均场的存在,首先是平均场,然后是剩余作用,剩余作用中两体作用是主要,然后是三体作用,肯定要比两体少。这个肯定是没有问题的。但是一方面这个平均场的图景,居然会出现周期性的结构,这就让人很不可思议了。

    因为平均场的结果一般来说都是刚性的。当然他们会把这归结为神奇的两体作用。有的时候两体作用突然消失了,有的时候可以描述长椭球,有的时候可以描述其他的形变。

    但是这本质上是不自洽的。很难想象,一个平均场的剩余两体作用,居然会对核子数非常敏感。这是我很困惑的地方。我的直觉告诉我,由于核子核子之间的相互作用是一样的,然后是大尺度的低能的,那么转换为平均场以后,应该是差不多的。也就是说是一个单调的变化,不应该对核子数敏感。随着核子数的增多,平均场应该比重会增加,而剩余的两体作用应该会减少,三体作用可能真的就不需要了。(当前的大尺度壳模型计算使用的就是这样的观点,我很理解他们,但是他们不理解我)

    在凝聚态物理领域学习的经验对我的影响其实是挺大的。虽然我没有在这个方面做研究。

    一个复杂的系统,往往会出现假象。这个和简单的问题,是不一样的。实际上就像物体下落这样的问题,我们知道,本质上也是非常复杂的。

    如果要出现周期性的结构,就必须要涉及到小尺度的作用。最近我提出的SU3-IBM理论,和实际中原子核的低能激发谱符合的非常好,超出想象。一方面直接证实了存在高阶作用,一方面这些作用还具有SU(3)对称性,这让我自己也非常奇怪。这个理论居然和我的一些对原子核的看法最终一致,也难怪我一直坚持不断地思考这个模型。这种一致性是最近才意识到的。但是这种看法其实在以前的博客中,我也都表达过。但是以前我没有把两者联系起来。

     最近看文献,我知道了核子核子之间存在短距离的强关联,主要发生在质子和中子之间。而实际上,正是质子和中子的相互作用导致了形变的发生。这种强关联在所有的原子核中的比例似乎是差不多的。所以这样一来,大尺度上的平均场和剩余相互作用,会随着核子数线性变化,而小尺度上的强关联不变。这样如果存在一种特殊的干涉作用,就可以发生周期性结果。

     为什么呢?举个简单的例子。比如肥皂泡的水膜,厚度会一点点的变化,然后照射一样的光后,就会出现干涉作用。干涉作用,可能会和我读博士期间遇到的电磁诱导透明现象相似。这个现象非常简单,但是是被认为可能会获得诺贝尔物理学奖的工作。(我在硕士和博士期间遇到的问题都很简单而奇特,也都是公认的可以获得诺贝尔奖物理学奖的工作,但是没有。我自己研究的一个方向,是后选择弱测量,也是简单而奇特的)原子中两个能级,比如基态和一个激发态,如果有一束弱光的能量和这个两个能级匹配,那么这个光就会被吸收。但是如果在这个激发态和另一个激发态之间加上一个强的激光,那么这束激光就不会被吸收,介质就会变成透明的。这个方向的研究在上个世纪90年代开始到我读博后几年,都是热门的研究方向。火了20多年,现在不行了。

     后来这个现象被用到了量子光力学中,我靠着这个做了两篇文章。

     我们立刻就会看到,首先是核子核子大尺度的剩余两体作用,然后是短距离的强相互作用。核子1和核子2本来是有作用的(弱的,长程的),如果核子2和核子3突然有了强的相互作用,那么立刻核子1和核子2之间的作用就消失了。看看,两体作用就没有了。当然,这也可以用来增强核子1和核子2的相互作用。强的作用和弱的作用,是可以有关联的,但是机制比较特殊。

     这实在是太神奇了。我不知道是因为做了量子光力学的工作,影响了我核结构的观念,还是核结构的研究,特别是SU3-IBM的研究,最终让我把这联系了起来。应该是后者,因为关于平均场的想法早就有了,而当我这几天理解了短程距离关联后,就自然的把这个事情联系在了一起。

     如果真的这样的,就太美妙了。当然,原子核中真实的计算一定是非常复杂的,其实我对具体计算现在也是不懂的。不过,所有的拼图拼在一起,真的是看不出什么问题。后边的研究,就是进一步理解这两种核子核子之间的作用是如何计算的,又是如何关联在一起的。这要一点点来。



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