王涛
球形不是完美的,来自原子核形状的启示
2022-12-10 12:36
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    在我们日常的经验之中,圆和球代表着一种完美,当我们把这种观念带入到客观的描述中,却发现这样完美的存在一定是需要特别的理由的。

    在古老的关于天体的认识中,我们相信它们围绕地球的轨迹是完美的圆形,即使伽利略也认为这是必然的。自然的运动应该是完美的,是神灵意志的体现,是不需要解释的。需要解释的,是不完美的,是那些非球状的存在。

    在哥白尼的日心说中,围绕太阳的天体的轨迹也必然是圆形的,这是一个先验的假设。伟大的开普勒发现,实际的轨迹不是圆的,而是椭圆。我们知道这个椭圆其实偏离圆形不算太大,能有这样的发现是非常的了不起的。后来牛顿万有引力的发现,告诉了我们理由,如果是圆形的轨迹,需要更多的条件,在一定的轨迹半径的地方,需要一定的速度才可以,这是非常巧合的。也就是说,圆形轨迹的出现是一个非常巧合的事情,而根本不是必然。

   吹出的泡泡如果是完美的球形是需要条件的,在平常情况下不是球形的。原子的形状是球形的,是因为原子核提供的库仑中心势。但是应该也会有非常小的偏离。如果假设电子是球形的,那么它会是非常完美的球形,这还很难理解。我认为,电子应该就是点的,否则无法理解它为什么在如此小的体积内,却没有爆炸呢?我不相信弦论,这也是一个关键的原因,我无法理解因为什么原因,这个弦没有被拉长呢?一个理论的存在如果先验的需要更深层次的理解,这不是一个招人喜欢的理论。

   现实中的物体如果是球形的,这反而是不自然的,是需要特别的解释的,这和平常的经验正好相反。

   原子核被发现后,自然就会被认为是球形的。比如Otsuka在他最近的一篇的综述中写道:“原子核显示出表面内核子近乎一致的密度,所以把它看成是球形是一个很自然的假设。”物理学的研究一定是有某种预设的,然后通过进一步的研究来确定这种预设是正确的。我们没有原子核的理论,只有各种模型,所以都不能很好的完整理解原子核的性质。但是正如Otsuka所说,这是一种自然的假设,而不是事实,不是结论。但是一些研究者,没有很好的区分这一点,自然的认为球形核的存在是一种事实。

   球形核是单粒子势理论和壳模型的基础,这是很正常的事情,因为理论解释了幻数。我开始结束原子核的时候,这让我很是惊奇。原子核是由大量的质子和中子构成的多体系统,而且质子和中子是由区别的,所以居然会形成一个球形的原子核,这里面一定有巧妙的机制。我到是不会怀疑幻数核是球形的,因为从这个预设出发的理论看起来很成功。我当然认为存在一个巧妙地理论,让幻数核成为了球形的。(我后来发现,有这个结论的可不是我一个人。)

    远离幻数的原子核是有形变的,这在七十多年前就已经意识到了,并且这个结论的发现被授予了诺贝尔物理学奖。做出同样发现的惠勒没有立即发表自己的工作,在他的自传中表达了一种难过的情绪。(很多大物理学家都没有获得诺贝尔物理学奖,但是不意味着他们的工作不重要,比如霍金,反而凸显了诺贝尔物理学奖自身的不足。)

    如果幻数核是球形的,那么它附近的原子核的激发模式,就自然是一种声子模式,这是一种常识性的结论。但是实验上证明这一点却很困难,直到95年开始,这类研究才开始系统的展开。但是结果是负性的,我们没有发现一个完美的球形核。这不是说这种核就是不存在的,而是说即使存在也是稀有的例外。现在看来,要想证明一个原子核是球形的集体激发模式,必须至少要发现到三声子五重态上,不管是能谱还是电四极跃迁强度,都需要满足球形核的声子模式,这在实验上没有发现。

    所以说,以前认为应该很多的球形声子激发模式,实际上非常罕见。支配幻数以及附近原子核的机制是我们没有预料到的模式。

    这个结果是让人惊奇的,当我知道这个结果的时候,已经非常晚了,当然我不是最晚的。我一直好奇的巧妙的机制不存在了,反而是理论本身出现了明显的不自洽。这是很有意思的,而更有意思的是,这种不自洽并没有让多少人不自在。我依然记得我几年前知道这个结果的时候的震惊和茫然,以及疯狂的寻找可能的答案。

    我从2003年底开始接触相互作用玻色子模型,到今天快20年了。这个理论很有意思的,如果说以前的理论使用的是蛮力气,那么这个就很有技巧。但是我使用这个模型却是使用的蛮力气,我一直用数值计算的方式在使用一个精巧的模型,而拒绝这个理论中最美妙的地方。

    因为我相信,最重要的,一定不是看起来最好看的。

    这个模式是对称的。这个理论是一个代数方法,有三个可解的模型,于是自然就认为代表三种现实的典型模式,球形的,长椭球的,和γ无关的。随后做一个推广,又加入了一端,代表扁椭球。长椭球和扁椭球是对称的。

    这看起来很漂亮,但是我很奇怪,是什么巧妙的机制让理论这样的对称呢?现实中的原子核根本就不是这样的,长椭球要远远的多于扁椭球。理论和现实差别巨大。但是在漫长的时间内,这种情况并没有被质疑,因为数学上很漂亮。

    我相信必须加入高阶作用。因为理论上,Isacker指出给出γ无关的代数生成元如果是三体的,就可以描述长椭球!所以加上三体后,长椭球自然就比扁椭球多了,一个有趣的结果。这个结果激发了我和我老师的灵感,但是每个人都是怎么想的,我并不清楚,我没有和我老师沟通过。

    到了今天,我更开始偏向新的模型,开创了相互作用玻色子模型的新的研究领域,以前的看法也开始改变了,不知走向何方。

    美丽的数学会让人兴奋,也会让人走向歧途,但是上帝没有不怀好意,需要摒弃的是我们自己的偏见。

   

  

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