探索微观世界的核物理，正在现实生活中绽放

作者：杨超月

原标题：探索微观世界的核物理，正在现实生活中绽放来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

本文是一篇关于核物理与核应用的综述，选自《未来10年中国学科发展战略·物理学》。“未来10年中国学科发展战略”丛书是国家自然科学基金委员会和中国科学院学部“学科发展战略研究”的成果，出版于2012年。本文是当年对核物理与核技术发展态势的总结，也可以作为一篇全面的科普介绍。我们能看到，短短十年，许多方面有了极大的变化，但也仍有许多悬而未决的问题。

撰文丨战略研究组

一

发展规律和特点

核物理是以研究强相互作用为主，也涉及弱相互作用和电磁相互作用的一个物理学分支。人类对强相互作用的认识远不及电弱相互作用。例如，我们对基本的核力还不甚清楚。虽然量子色动力学已被广泛接受为强相互作用的基本理论，并在微扰区域取得了巨大的成功，但是非微扰物理如夸克禁闭仍然是没有解决的基本物理问题。核物理研究的目标就是探索由强相互作用控制的物质的结构和状态。

探索微观世界的核物理，正在现实生活中绽放

原子结构示意图

核物理学学科起源于一个偶然的实验发现。贝克勒尔于1896年在对当时的国际物理学热点课题——X射线相关问题进行探索时，出乎预料发现铀自发放射出一种未知的射线。居里夫妇通过对这种新放射性的研究，发现了两个新的化学元素——钋和镭；卢瑟福发现了不同种类的放射性，并利用天然阿尔法射线和原子的散射表明原子有一个核心，即存在原子核。

随着中子的进一步发现，人们明确知道原子核由质子和中子组成，核物理学学科基础研究进入大发展时期，之后发现了强相互作用和弱相互作用这两种新的相互作用形式。而随着原子核裂变的发现和战争与核能利用的需要，核物理学受到了一些国家政府的重视，促进了核物理基础研究的发展，一大批加速器被建造。核物理学家通过加速器合成了新的化学元素和新核素，通过实验获得了大批核数据，从而建立和完善了一些基本原子核模型，如原子核的液滴模型、壳模型、集体模型和核反应模型等。

反过来，理论预言又进一步推动了实验的发展，从而带来了实验研究和理论研究的互动。对于原子核反应和衰变的研究，还使人们明确了太阳的能量来源于核聚变反应，知道了宇宙中一些化学元素及重原子核的生成机制，放射性的研究使科学家正确估计出地球的年龄。所以核物理学学科是物理学的一个重要分支，它对自然科学其他领域的发展有重要推动作用。

人造元素

从能量或物质组成单元来看，核物理研究分为低能和中高能核物理，分别对应物质的核子、介子和夸克层次。核物理又可分为核结构和核反应两部分。前者讨论原子核的结构，后者强调粒子碰撞的动力学。从20世纪60、70年代开始，基于对物质深层次结构和QCD真空态的认识，人们开始将微观动力学研究和宏观的物质态研究联系起来，探索高温高密条件下的QCD性质和强相互作用的对称性质。

核物理研究的一个显著特点是大型核实验装置的关键作用。近年来有许多大型核物理实验装置立项建造和投入运行。例如，在低中能核物理领域有我国HIRFL-CSR以及中国原子能科学研究院的放射性束装置BRIFII，日本放射性离子束工厂RBF/RIKEN，和美国稀有同位素束流装置FRIB/MSU。在核子物理领域有美国的电子束流装置CEBAF以及近年来它的改进升级版，德国DESY采用质子束流HERA，欧洲核子研究中心采用电子束流COMPASS，德国于利希研究中心采用质子束流COSY，日本有JPARC。在高能核物理领域有美国RHIC、德国反质子和离子研究装置FAIR/GSI，欧洲核子研究中心LHC-ALICE。这些新装置的建成和投入使用，为核物理研究带来了崭新的机遇。

探索微观世界的核物理，正在现实生活中绽放

兰州重离子加速器冷却储存环HIRFL-CSR

核物理的另一个特点是，研究对象为由强相互作用动力学控制的微观多粒子体系，这导致核物理研究与当前物理学的两个难题紧密联系。

一是低能强相互作用规律。虽然QCD被广泛接受为强相互作用理论，并且在高能极限用微扰论获得了极大的成功，但如何用它描述低能强子之间的相互作用仍然是没有解决的难题。

二是多粒子动力学。对于单体或两体问题，如果已知相互作用形式可用经典力学或量子力学处理，对于粒子数趋于无限的体系，又可用统计力学来进行描述。但原子核是处于这两者之间的多粒子体系，不可能用力学或统计方法来严格处理。考虑到微观体系的小时空尺度、边界效应和非平衡效应，问题更加复杂。

这两个难题一方面使核物理研究面对的是一个复杂的微观体系，另一方面使核物理始终是物理学甚至是整个物质科学的前沿领域之一。