王涛
三代传承:从陈金全教授到SU3-IBM 精选
2024-3-2 21:31
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    (这几天正在写基金项目,偶有所感,写下此文)

    过去几年,从2019年初开始,灵感突现,我开始提出和系统的研究SU3-IBM,如今它正在开始成为核结构领域的一个非常具有竞争力的研究思路和一个非常有意思的模型,因为理论和实验之间展现了一种不可思议的一致性。但是,在很长的时间内,我并不知道,这个突现是怎么发生的。从去年暑假开始,我开始思考SU3-IBM的来龙去脉。任何一种突破,都不可能是真正的突然发生的,都一定会有着过去的积累。(但是这并不意味着科学的进步是连续的)搜索学习的结果,就是去年年底在科学网写的《核结构中的SU(3)对称性》的系列文章。其中关于相互作用玻色子模型的SU(3)对称性的高阶作用的部分在以前的系列博文《包含SU(3)对称性守恒高阶作用的相互作用玻色子模型》中已经给出了介绍。

    但是有一些细节,在那里并没有很好的写出来,特别是中国本土在相互作用玻色子模型高阶项的传承研究中涉及到了三代研究者,这里需要进一步补充一下。科学研究的突破,往往不是一人的事情,而是几代人执着前进的结果。(这里边的说明,仅仅是从我个人的经历而言)

    这里涉及到的第一代科学家,是陈金全教授。关于陈金全教授的介绍,赵玉民老师在科学网的博客中,给出了非常好的描述,请见《我的导师:纯粹而卓越的科学家陈金全教授》,网址是https://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=3404169&do=blog&id=1415348。陈金全教授,学识渊博,在许多的领域做出了重要的贡献。特备是利用量子力学的技术来做群表示理论,当时的影响非常大。在核结构领域,陈金全教授也做出了非常重要的贡献。当时的核结构理论研究,正好是相互作用玻色子模型出现以后,所以国内的研究者也是深受影响。(这一点和今天非常不同,对于相互作用玻色子模型的新进展关心的已经很少了,做的人也非常少)陈金全教授,参与提出了费米子动力学对称性模型,也提出了费米子配对壳模型,后者即使在今天依然影响很大。壳模型是核结构的核心观点,而且算起来比较费劲,所以这方面的工作会产生持续性的影响。

    我是20年前读硕士,开始做相互作用玻色子模型的(2003年)。让人遗憾的是,那个时候陈金全教授就已经去世了,我从来没有见过先生真容,深以为憾。我的硕士老师,是辽宁师范大学的潘峰教授,他是陈金全老师的博士生,所以我自然也就听说了陈金全教授的光辉事迹。特别是,那个时候,我在网上找到了陈金全教授去世后,他的同事、朋友和学生给他写的一本纪念文集,让我意识到,老先生是一位真正的知识分子,具有非常高的国际影响力。

    虽然当时相互作用玻色子模型非常火热,但是陈金全教授却很少有这个方面的直接的工作,就我所知很少。我所知道的,就是陈金全教授在1981年的一篇文章,这篇文章是和Isacker合作的(Isacker现在依然在世)。究竟两位前辈是如何合作做这篇文章的,我不是很清楚,但是这是一篇奇文,虽然当时可能意识到这一点的很少。   

    相互作用玻色子模型是1975年提出的,所以1981年的时候,还是该模型研究的早期阶段。1980年,一些研究者提出了利用相干态技术,把相互作用玻色子模型的特定哈密顿量和特定的基态形状联系了起来。这在相互作用玻色子模型的发展历史上都是一件非常重要的事情,因为这让哈密顿量有了物理意义。原子核的形状是核结构研究的核心问题。然后他们意识到,在考虑两体的时候,也是核结构处理问题的常规方式,相互作用玻色子模型的三个极限,U(5)极限描述球形,SU(3)极限描述长椭球,O(6)极限描述γ软核。也就是说,不能描述所有的四极矩形变。

    这是一个问题。解决的一个手段,就是考虑把质子对和中子对区分开,给出一种三轴形变。另外一种,就是在相互作用玻色子模型的两体作用的基础上,引入高阶作用。Isacker和陈金全教授就是利用这种办法。由于核结构研究者中,特别是大尺度壳模型计算中,一直不是看好高阶作用,所以一直就有的看法就是尽量不引入高阶作用,导致相互作用玻色子模型中描述三轴形变的主要途径是区分质子对和中子对,尽管这个途径其实是有问题的。现在我们知道,刚性三轴转子的动力学对称性映射是合理的。刚性三轴转子的哈密顿量,当把形状也量子化的时候,就一定会有高阶作用。这个结果其实早就知道,但是并没有被认真对待。

    这篇文章是一个奇文,就是因为它提出了一个隐晦的可能性,就是在核结构的平均场中,高阶作用比想象的重要。这篇文章是一个严格的证明,就是在只考虑两体的时候,不考虑质子对和中子对的时候,是不可能有刚性三轴形变的。他们引入了6个d玻色子的作用项,确实发现可以描述刚性三轴形变。

    我没有在别的研究领域看到,说一个物理问题的解决必须需要引入高阶作用。这个工作,由于需要计算高级作用,所以即使在相互作用玻色子模型领域中,也知道细节的研究者不多,虽然可能都知道有这么个事情。对于相互作用玻色子模型以外的核结构研究者,可能就根本不知道了。SU(3)壳模型中,这是早就有的结论,但是也一直被忽略。

    在过去的40多年的时间中,我们已经知道,这种可能性被长期的忽视了。做这方面研究的其实很少,主要是Isacker和他的合作者的持之以恒的探索。

    从2000年以后,这方面的研究主要就是国内的研究者,推动者就是这个研究的第二代科学家,辽宁师范大学的潘峰教授。我是潘老师的硕士生,正好那个时候读潘老师的研究生。计算相互作用玻色子模型,以前的计算程序用的是U(5)基矢。在2003年,潘老师用SU(3)基,计算U(5)极限到SU(3)极限的量子相变,文章发表在了PLB上。所以潘老师希望编制一个SU(3)基的Fortran程序,并且能够计算高阶作用。这一点在当时就已经是非常明确的。

    于是这个编程序的事情就落在我的手里。Isacker和陈金全老师讨论了一种可能性,但是这种可能性并没有得到重视。现在看来,这是必然的。因为高阶作用的看法,和最多两体作用的看法,会带来完全不同的对于核结构的理解。这一点到现在才清楚。

    潘老师是陈金全教授的博士生,而且他的国外合作者是在SU(3)对称性方面做出巨大贡献的Draayer,所以潘老师会想到做一个SU(3)基的程序,并且计算到高阶项,考虑各种高阶项的作用,这是很显然的事情。当时,也有几个工作,开始讨论相互作用的高阶作用,潘老师也可能受到这些工作的激励。潘老师学识也非常渊博,在群论和核结构领域都有很深的研究,展开了许多有价值的研究方向,这也是其中的一个。

    但是在当时,这个方向的确看不出来有太大的希望。一方面,其实是这种观念的转变是非常困难的,即使是想看看高阶作用有什么用,也很难想象会有什么作用。第二个方面,是当时的实验还没有足够的证据来支撑这种观念的转变。当时的想法是,已经有了这方面的研究,如果做出高阶项的程序,是可以做出一些工作的。

    科学研究就是这样,很多的时候需要勇气和机会。Isacker和陈金全教授开始了相互作用玻色子模型高阶作用的研究,只是一种可能性,而且和主流的观念有冲突。潘老师认为这个方向是可以继续研究下去的,于是编制程序,进行研究。

    随后的工作,首先是辽师的张宇师兄进行了进一步的深入研究,他是我读硕士的时候上一届的师兄,也是潘老师的硕士生。2011年,Fortunato等人发现,SU(3)下的三体四极矩作用可以描述扁椭球,这样导致张宇师兄2012年描述了SU(3)极限下的长椭到扁椭的量子相变,这是一个精确可解的描述,很简单,但是改变了我们对于长椭到扁椭形状相变的一些看法。当然这个工作被一些人看成是有些天真的看法。

    2014年,张宇师兄在Isacker等人2000年做刚性三轴转子的SU(3)映射的工作的基础上做了详细的讨论,而且把这个工作和γ软核128Ba联系了起来。这是第一个往新观念开始转变的工作。

    但是张宇师兄的工作在观念上转变不够彻底,随后就是我在2019年初开始的一个观念上的跳跃,特别是把SU3-IBM和新的实验反常联系在了一起,发现了新的集体模式,正式提出了SU3-IBM,并且开始展开细致的研究工作。这里边的关键就是在SU(3)对称性和γ软性之间建立联系,这在以前是没有的。

    对于后边的工作,我在前边的博文中都有了详细的介绍。在早期的研究中,其实是没有这些目的的。Isacker和陈金全教授首先给出了要引入高级作用的可能性,随后Isacker在这个方向上坚持了很多年,做了许多考虑,这使得这个方向开始变得有价值。潘老师认为这个方向是有意义的,于是展开研究。张宇师兄把这个研究推进到了最前沿。然后,出现了一个突变,开始有新的东西出来,这些新的东西是在以前的研究中不存在的。这种观念的转变实际上是突然发生的。这当然也是一种巧合,因为实验反常的出现,和理论的研究,出现了新的契合。于是,导致我们看待核结构演化的方式也开始发生变化。

    这样一种经验,确实对我是非常深刻的。现在来看,这个突变几乎是必然的。但是实际上根本不是如此,尽管这种逻辑性现在看来如此明显,但是实际上在以前它从来都不存在。在核结构长期的研究中,尽管一些观念总是或隐或现,但是被已经有的研究经验所抑制。以往的实验数据不够精确,所以必然导致出现了不太正确的想法。但是这种结论很难被改变,即使有了新的实验数据,也很难改变,他们认为这可能在进一步的研究中得到解决。已有的经验,是抑制正确的想法的。

    发生的事情,在我看来是一种巧合。我们探索一种新的可能性,因为Isacker和陈金全老师的确给出了一种新的可能性,但是并没有得到足够的重视,在那个时候这种可能性看起来很小,而且研究起来也很复杂。潘老师的确认为这个可能性的研究是有意义的,尽管不清楚意义在哪里。但是新的实验结果,告诉我们这种可能性其实是真实的,有价值的。当我把这个模型和球形核疑难、B(E2)反常的实验数据联系在一起的时候,我对核结构的看法就发生了彻底变化,这种变化不可思议。

    我相信,科学的进步就是这么发生的,而学术的传承就是在这个意义上变得极其重要。学术传承,不是简单的近亲繁殖的跟踪研究。探索新的可能性极其重要。对还是错,重要还是不重要,往往都会受到已有经验的束缚,如果不能超出现有的经验,科学就不能进步,因为走的路已经错了。

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