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类球核:从猜想到证实(8)SU(3)对称性

已有 414 次阅读 2025-9-2 21:05 |个人分类:我思故我在|系统分类:观点评述

        前边提到了与核物理相关的一些主要关键进展,也指出了一些问题。但是在讨论的时候,有一些道理还没有说清楚,这主要的原因是需要一些对称性的语言。当然这里我们不是讨论对称性,而是用这种语言来描述发生了什么,这样才能说得更清楚。

    我的工作出现以后,并没有得到核结构领域研究者真正的理解。很多审稿人,看到我们的理论和实验符合的很好,往往理解成这是相互作用玻色子模型的一个新推广,而没有意识到新理论实际上是替代以前的核结构理论的。这里边的关键,就是核结构中虽然对称性很重要,但是大部分研究核结构的,并不是非常熟悉这个概念。以对称性为基础的代数模型来讨论核结构,其实一直都是一个小众的方向,而这是相互作用玻色子模型没有得到诺贝尔物理学奖的最根本的原因。

    对称性在粒子物理学中扮演了决定性的角色,但是在核结构中虽然重要,至今不是决定性的。大部分核结构的研究者的工作,其实和对称性都没有太大关系。而且到了今天,这个问题变得越来越严重。到了2020年,印度物理学家Kota才写了一本《原子核中的SU(3)对称性》,可见一斑。

   当然,对称性在核物理中的确非常重要。1932年发现中子以后,海森堡就用SU(2)对称性来描述质子和中子,随后魏格纳把自旋包括进来,推广到了SU(4)对称性。这个工作到今天依然对于理解核结构是非常重要的。魏格纳也由于这方面的研究,在1963年和迈耶夫人、简森一起获得了诺贝尔物理学奖。

   迈耶夫人和简森通过球状三维简谐振子势加上强的自旋轨道耦合作用解释了幻数,奠定了核结构进一步研究的理论基础。自旋轨道耦合作用,实际上是核子运动的相对论效应,本质上不是作用。因为核子被束缚在了尺度只有10的-15米范围内的原子核中,所以有着非常大的速度,所以相对论效应是需要考虑的,而这里最需要的考虑的就是自旋轨道耦合作用。即使是在原子中,这个效应有的也是需要考虑的。

   所以这个平均场,才是真正的核子间的核力的表现。而三维简谐振子,就是U(3)群。也就是这个核力的百分之80以上的部分,具有SU(3)对称性。这些前边的说法都是常识,但是最后一句,是我说的,其实它就是一个直接的结论。但是在大部分的文献中,很少这么说。在最近的核力的有效场理论中,的确有SU(3)对称性,但是也没有这样的说法。

   另外一个重要的进展,是1958年Elliott对于轻核,引入了SU(3)对称性,把单粒子行为和集体激发联系在了一起,解释了长椭球形状。

   这是一个极其优美的理论,是后边利用对称性讨论原子核集体激发的基础。原子核中最重要的是平均场,占到了核力80%,然后是剩余作用。由于这么大的平均场,所以研究者自然就会认为剩余作用最重要的一定是两体作用。(这几乎是一个必然的结论)Elliott的研究,揭示了一些很重要的事情,就是长椭球形状的哈密顿量与SU(3)对称性有关。

   而这也意味着,长椭球核的哈密顿量,也就是核力,几乎都是SU(3)对称性的。

   这是一个非常有趣的结论,但是这么多年来一直被忽略了。原因也很简单,存在其它的激发模式,不是长椭球的,所以研究者也一直相信这些核的哈密顿量,也就是剩余作用部分,不具有SU(3)对称性。

   但是如果把平均场考虑进来,这其实就是一个很有意思的问题了。对于一些核,很显然,SU(3)对称性几乎起到了支配的作用。那些看来不像的原子核,也是SU(3)对称性被破坏了,问题只是被破坏了多少。但是这样的想法,似乎没有在核结构中出现过。

   平均场和剩余作用的SU(3)对称性之间的关系,几乎一直没有被注意。SU(3)对称性一直都扮演着基础性的角色,但是对这一点,似乎没有引起研究者的重视。核子之间通过核力作用,而这个核力看起来和SU(3)对称性没有关系。但是核力究竟是什么,是推测出来的。而核力的作用结果,不管是平均场,还是剩余作用,几乎都有SU(3)对称性。对于这个结果,几乎一直是视而不见,这才是不可思议的。

   而Elliott的工作也产生了一个严重的后果,就是一直认为只有长椭球才能用SU(3)对称性描述,其它的形变或集体激发与SU(3)对称性无关,特备是球形核和γ软核。

   科学研究就是这样,一方面我们必须相信得到了理论是正确的,一方面我们必须怀疑得到的这些理论是有问题的。在现实中,往往前一个起到了支配的作用,而后一个,只有在极其特殊的情况,才会自发破缺。虽然都说科学家要有着强烈的质疑精神,但是实际上大部分做研究的都不可能是这样的。我们这是把科学史中那些伟大的科学家才有的美德,放到了科学研究者群体而已。这是不应该的。

  



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