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原子核的理论方面,主要被授予了三次诺贝尔物理学奖。第一个是日本科学家汤川秀树,因为在1935年构造了核力的第一个理论,提出了π介子,在1949年获奖。第二个是维格纳由于在核结构领域引入对称性、迈耶夫人和简森由于解释了幻数,开创了壳模型的研究,而在1963年获奖。第三个是雷恩沃特、阿格.玻尔和莫特尔逊,因为引入形变解释,提出原子核的形变的想法,给出几何模型而在1975年获奖。
量子色动力学的发现,自然也与原子核相关。但是这个诺贝尔物理学奖奖励的是量子色动力学的渐进自由现象,不属于原子核的领域。与原子核相关的是量子色动力学的色禁闭现象。但是这现象,我们依然知道的很少,甚至可以说几乎不太清楚发生了什么。(当然有很多的理论研究,但是由于在强作用区,非常复杂)如果真的能从理论上理解这个,必然也会被授予诺贝尔物理学奖。
强相互作用源于色核的存在。夸克的发现是物理学中的一件大事,而夸克具有色核。这个和电荷类似,但是电荷只有一个,色核有三个。现实中我们发现,实验中出现的粒子,是没有颜色自由度的。比如质子和中子,是白色的,是由三个不同颜色的自由夸克,通过胶子而束缚在一起的。
原子核本质上就是一个色禁闭的现象,但是对此整个核物理学界却没有一个明确的态度。
实际中讨论原子核的问题的时候,只是把原子核中的质子和中子看成白色的,不考虑色自由度。
EMC现象的发现,打了核物理研究者的脸,因为原子核中核子的夸克胶子分布和自由核子不一样,而且随着核子数的增多,不一样的更厉害。这个事情发生在1982年,但是虽然的确让我们意识到,原子核中的核子和自由核子不一样了,但是究竟在哪些方面考虑不一样,并没有明确的答案。特别是在低能的核结构领域,依然没有考虑核子的介质修正效应。
最近,有效场理论的专家Machleidt在最近的一篇综述中(2024年)提出了一个问题:“Are the energies typically involved in conventional nuclear structure physics low enough to treat nucleons as structure-less objects?”我在最近的文章中提出,Cd疑难应该与核子的介质修正有关,不能再看成是无结构的粒子。
原因很简单,如果把核子看成是白色的,那么Cd疑难就不应该出现。Cd疑难的出现,必然意味着以前的观念破产了。
这个道理其实非常简单,如果核子和自由的核子一样是白色的,它们之间怎么可能有相互作用?但是以往的数学和经验,使得如此简单的事实都弃之一旁。这里边的关键是,在低能区会发生手征对称性自发破缺,直到最近这些年才开始搞清楚这个问题。
所以即使是研究有效场的研究者,也希望开始考虑更加复杂的情况。但是他们很显然对核结构不是太了解,更不知道Cd疑难。Cd疑难,其实在核结构领域知道的也不多,因为没有什么理论来解释它。一些解释也有尝试,但是实际上都并不好。因为它是一种新现象。
当我知道Cd疑难的时候,真是让我自己都震惊。这个道理很简单,球形的平均场解释了幻数,当价核子增多的时候,两体作用会出现,必然出现球形核的声子激发模式。道理上就这么的简单直接,然后有人说球形核不存在,这不是胡扯么?
我仔细分析了里边的实验结果,我开始确信实验是令人信服的。不管是能级特征,还是B(E2)结果,的确不是球形核的声子激发模式。以前的对于原子核低能集体激发的观念是完全错误的。形变会发生,但是以前的理解不正确。
所以发现球形核疑难的主要实验者Garrett和Wood,我认为应该授予诺贝尔物理学奖,因为它们的工作,证实了新的集体性的存在,否定了以往的核结构的观念。
当然,这样的结果,可能不会让核结构的研究者高兴。到最后可能这几位提出球形核不存的都有些不相信自己的结论了。最近,他们不太再提这个话题了。
有时间我得问问,如果他们真的改变了这个想法,那么如果最后真是正确的,就可能会失去授予诺贝尔物理学奖的资格。
Cd疑难否定了球形核的存在,证实了新的集体性。前半段是他们给出的,后半段是我给出的。在Cd疑难的启发下,我提出了SU3-IBM,把两个完全看不出来有什么关系的主题联系在了一起。至今的理论拟合,SU3-IBM很好的解释了Cd疑难。我发现了一种全新的低能集体激发模式。支持球形核不存在的结论,也就是进一步支持原子核的集体性出现的原因和以前的理解无关。
1975年的诺贝尔奖从现在看来是完全错误的。
他们给出了基本的概念,但是理论是不对的。
正确的是什么,我们在努力给出答案。
答案的关键在于原子核的色禁闭。前一个月我只有一半的把握,而如今已经达到了70%。
SU3-IBM的结果非常漂亮,它实际上就是一个哈密顿量。它之所以正确,就是因为符合实验结果。没有任何道理告诉我们它为什么正确。
这个理论给出了两个非常奇特的结果,一是这个理论高阶项有可能占据支配地位,和平局场的观念冲突,二是这些高阶作用都具有SU(3)对称性,这实在太诡异了。以前的SU(3)对称性实际上是偶然出现的。但是现在不是了,有了更深的理由。
所以导致SU(3)对称性的研究是非常重要的。1958年Elliott首次在核结构中引入了SU(3)对称性,随后SU(3)对称性能够一直在发展,是相互作用玻色子模型的提出以及美国物理学家Draayer持续研究的结果。
1975年Arima和Iachello提出了相互作用玻色子模型,震惊了整个核结构领域。到今天Arima已经去世,Iachello还在,已经八十多了。我很希望Iachello能够拿到诺贝尔物理学奖。当前的SU3-IBM不是IBM的和以前一样的一个子模型,而是代替以前的IBM的一个新模型,是新核物理的第一个模型。
新核物理,我们今天已经明确,就是要考虑原子核中的色自由度。
许多年,Draayer都在坚持SU(3)壳模型的研究,最近和他的弟子们在从头计算领域加入了SU(3)对称性。我也很希望Draayer的工作能够被更加重视,因为SU3-IBM的数学形式,主要是Draayer给出的。
当然,2019年,我提出了SU3-IBM,并且用它来解释Cd疑难各种问题,明确的指出了以前模型的各种问题,而且在短短的五年时间,把这些问题和核力、色禁闭开始联系起来。这些工作彻底改变了核物理的内涵。
当然,这样的转变,还没有被核物理的研究群体意识到,他们只是觉得我又提出了一个IBM的模型,和以前没什么区别。这个模型解释了一些新的现象,但是没有意识到里边的物理已经不一样了。
在今天的物理学中,数学充斥着研究,物理已经没有多少人在意了。在粒子物理学和凝聚态物理学领域更是如此。
所以,我们需要更多的理由。当前的发展情况,类似日心说中开普勒发现了行星轨道是椭圆的,没有任何理由,所以导致开普勒死的时候他的理论都没有被承认。
行星轨道是椭圆的,需要一个理由。
SU3-IBM也需要一个理论。
这个理由我相信就是原子核中的色禁闭,因为找不到别的SU(3)对称性了。由于色禁闭的存在,导致原子核中的低能和高能之间存在了关联。这就是原子核的新物理。因为这些不同尺度的物理放在一起要导致整个原子核是白色。
我怀疑自由核子中的色禁闭可能也是不同尺度作用的结果。
也就是说,要把SU(3)对称性和有效场理论结合在一起。原子核中的现象不是平庸的,不是完全自然的,这已经被一些散射的实验所证实。所以现有的有效场理论不能解释所有的问题。
我不懂有效场。
但是我懂代数方法。最近我开始构建整个原子核的代数理论,虽然才开始,已经表现了威力。直接就给出了球形核不存在的结论。
后边有时间的时候,就是努力发展这个代数理论。也许会有完全意料之外的发现。
当然,如果谁能把SU(3)对称性和有效场理论联系在一起,给出原子核中低能和高能确定性的结论,彻底解释Cd疑难,毫无疑问,这必然会被授予诺贝尔物理学奖。
第一次,一个诺贝尔物理学奖就在我眼前清晰地出现了。
我只是一个末流院校的普通老师,我从来没有想过,我会有一天和诺贝尔物理学奖有联系。但是我相信,Cd疑难的出现,以及它所启发的SU3-IBM,以及后续工作,特别是最后给出低能和高能关系的研究,(这种关联在以前的所有物理研究中,都没有过)一定会拿下一个诺贝尔物理学奖,就是不知道谁是最后的幸运者。
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