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原子核为何不塌缩?

已有 317 次阅读 2024-11-22 14:46 |个人分类:我思故我在|系统分类:观点评述

    电子为何不爆炸?我们至今也没有找到解决问题的眉目。但是原子核为何不塌缩,却一直激励着核物理的研究者进行思考和研究。

     原子核是由质子和中子组成的。质子和中子通过强作用力吸引在一起,这样一来当核子数增多的时候,这种吸引力也会变大。但是当核子数非常多的时候,原子核的体积依然和核子数成正比,并没有塌缩,这是一个很让人奇怪的事情。

    质子和中子的内部,是三个夸克,但是不是只有三个夸克。我们已经知道,夸克像电子一样,现在还测不出体积,是一个点粒子。三个夸克的质量之和在10MeV左右。这和质子或中子差别巨大,它们是有尺寸的,在10的-15次方米。它们也是有质量的,在1000MeV左右。这个有些让人难以想象。虽然在我们人类的眼中,这个尺度太小了。但是对于夸克来说,这个尺寸太大了。最小的尺度是普朗克尺度,我们认为像电子和夸克这样的粒子,可能就比普朗克尺度大几个量级而已。那么10的-15次方米这个量级就实在是太大了。并且质量多了将近100倍,那么多的虚粒子真是不可思议。

    虽然具体的原因我们并不清楚,但是我们知道这应该和色禁闭有关。色禁闭虽然知道很多年了,但是细节依然不是太清楚。为了实现色禁闭,居然要有这么大的尺度,并且出现了100倍的质量。这是一个不可思议的奇迹。

    这也说明了,色禁闭是一个极其刚性的机制,想破坏它很难。

    当质子和中子组成原子核的时候,色禁闭扮演了重要的角色,防止了原子核的塌缩。我们还不清楚具体的机制。还无法理解,这么空旷的空间,是如何导致如此多的虚粒子,是如何出现了这么大的空间,是如何防止这个空间塌缩的。

    在核子之间的短距离处,出现了一些奇妙的机制。

    核子之间出现吸引作用,这是通过π介子来传递的,这是日本科学家汤川秀树的奇妙猜想,为此他获得了1949年的诺贝尔物理学奖。这个工作,也促进了日本物理学的快速发展。

    所以核子被这种吸引力紧紧地束缚在了一起,但是奇妙的是,这个束缚能不到原子核质量的百分之一。质子和中子的色禁闭所产生的特定形态并不容易被改变。即使核子数非常多的时候,依然如此。当然在中子星这样的庞大星体中也许会有奇特的变化。

    但是必然有一个极其强大的斥力。当核子之间的距离非常近的时候,必然会出现夸克胶子的作用,来产生一个斥力,阻止原子核的塌缩。当前的实验,正在开始对此展开研究。

    各种猜测都会有。

    而SU3-IBM的出现,给出了更加不可思议的暗示。我们很难理解,在原子核的低能激发的位置,为什么会出现SU(3)对称性。

    是夸克胶子自由度阻止了原子核的塌缩。如果没有这种作用,原子核就会变得比当前要小的多。所以这里有个非常明确的事情,一方面吸引作用紧紧地把核子束缚在一起,让它们的体积更小,而另一方面夸克胶子作用,产生了向外的排斥作用,防止原子核塌缩,这也导致原子核的形状的出现。因为这种排斥作用不是各项同性的,我们知道,这种作用具有SU(3)对称性。

    SU(3)群的表示就对应各种现状。从一个表示到另一个表示,就是原子核内的质子和中子的结合方式发生了一些变化。

    很难不把这两种SU(3)对称性联系在一起,而且在物理上,也存在明显的联系。如果塌缩了,自然就没有当前的形状了。

    这种联系我还无法理解,但是我相信,两者之间必然存在有趣的关系。



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