探索微觀世界的核物理，正在現實生活中綻放_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2021-10-01 13:17
撰文丨戰略研究組
一 發展規律和特點
核物理是以研究強相互作用為主，也涉及弱相互作用和電磁相互作用的一個物理學分支。人類對強相互作用的認識遠不及電弱相互作用。例如，我們對基本的核力還不甚清楚。雖然量子色動力學已被廣泛接受為強相互作用的基本理論，並在微擾區域取得了巨大的成功，但是非微擾物理如夸克禁閉仍然是沒有解決的基本物理問題。核物理研究的目標就是探索由強相互作用控制的物質的結構和狀態。
核物理學學科起源於一個偶然的實驗發現。貝克勒爾於1896年在對當時的國際物理學熱點課題——X射線相關問題進行探索時，出乎預料發現鈾自發放射出一種未知的射線。居里夫婦通過對這種新放射性的研究，發現了兩個新的化學元素——釙和鐳；盧瑟福發現了不同種類的放射性，並利用天然阿爾法射線和原子的散射表明原子有一個核心，即存在原子核。
隨着中子的進一步發現，人們明確知道原子核由質子和中子組成，核物理學學科基礎研究進入大發展時期，之後發現了強相互作用和弱相互作用這兩種新的相互作用形式。而隨着原子核裂變的發現和戰爭與核能利用的需要，核物理學受到了一些國家政府的重視，促進了核物理基礎研究的發展，一大批加速器被建造。核物理學家通過加速器合成了新的化學元素和新核素，通過實驗獲得了大批核數據，從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、殼模型、集體模型和核反應模型等。
反過來，理論預言又進一步推動了實驗的發展，從而帶來了實驗研究和理論研究的互動。對於原子核反應和衰變的研究，還使人們明確了太陽的能量來源於核聚變反應，知道了宇宙中一些化學元素及重原子核的生成機制，放射性的研究使科學家正確估計出地球的年齡。所以核物理學學科是物理學的一個重要分支，它對自然科學其他領域的發展有重要推動作用。
從能量或物質組成單元來看，核物理研究分為低能和中高能核物理，分別對應物質的核子、介子和夸克層次。核物理又可分為核結構和核反應兩部分。前者討論原子核的結構，後者強調粒子碰撞的動力學。從20世紀60、70年代開始，基於對物質深層次結構和QCD真空態的認識，人們開始將微觀動力學研究和宏觀的物質態研究聯繫起來，探索高温高密條件下的QCD性質和強相互作用的對稱性質。
核物理研究的一個顯著特點是大型核實驗裝置的關鍵作用。近年來有許多大型核物理實驗裝置立項建造和投入運行。例如，在低中能核物理領域有我國HIRFL-CSR以及中國原子能科學研究院的放射性束裝置BRIFII，日本放射性離子束工廠RBF/RIKEN，和美國稀有同位素束流裝置FRIB/MSU。在核子物理領域有美國的電子束流裝置CEBAF以及近年來它的改進升級版，德國DESY採用質子束流HERA，歐洲核子研究中心採用電子束流COMPASS，德國於利希研究中心採用質子束流COSY，日本有JPARC。在高能核物理領域有美國RHIC、德國反質子和離子研究裝置FAIR/GSI，歐洲核子研究中心LHC-ALICE。這些新裝置的建成和投入使用，為核物理研究帶來了嶄新的機遇。
核物理的另一個特點是，研究對象為由強相互作用動力學控制的微觀多粒子體系，這導致核物理研究與當前物理學的兩個難題緊密聯繫。
一是低能強相互作用規律。雖然QCD被廣泛接受為強相互作用理論，並且在高能極限用微擾論獲得了極大的成功，但如何用它描述低能強子之間的相互作用仍然是沒有解決的難題。
二是多粒子動力學。對於單體或兩體問題，如果已知相互作用形式可用經典力學或量子力學處理，對於粒子數趨於無限的體系，又可用統計力學來進行描述。但原子核是處於這兩者之間的多粒子體系，不可能用力學或統計方法來嚴格處理。考慮到微觀體系的小時空尺度、邊界效應和非平衡效應，問題更加複雜。
這兩個難題一方面使核物理研究面對的是一個複雜的微觀體系，另一方面使核物理始終是物理學甚至是整個物質科學的前沿領域之一。
核技術是基於核效應、核輻射和核裝置的應用學科，按技術手段可分兩大類：一是基於核裝置（加速器、反應堆等）的核技術，二是基於放射性核素的核技術。傳統的核技術包括加速器技術、核探測技術、輻照技術、離子束分析技術、X射線分析技術中子活化分析技術、中子散射技術、放射性標記與示蹤技術、核影像技術、輻射防護等。
核技術應用範圍很廣，在能源、醫學、材料、生命、環境、地質考古、農業、國防、安全等領域都有十分重要的應用核技術及應用涉及國家安全和經濟發展，具有十分重要的地位，屬戰略高技術。
二 發展現狀和趨勢
01 原子核物理
目前，國際核物理界普遍認為，當前核物理研究的熱點和機遇包括以下四個方面：極端條件下的核結構、核內夸克的動力學、相對論重離子碰撞與夸克膠子等離子體、核天體物理。總體來説，當前核物理研究的趨勢是朝極端條件 (高能、高温、高密、高自旋、遠離穩定線、超重核等) 以及與粒子物理、天體物理結合兩個方向發展。
（1）極端條件下的核結構
20世紀80年代以前，核物理學家詳細地研究了β穩定線附近幾百種核素的性質，建立了原子核殼模型、集體模型、集團模型和一些核反應模型。在那以後，放射性束流裝置和探測器的研製取得了很大進展，使得實驗上合成和研究遠離穩定線的核成為可能。
近20年來，放射性核束物理構成了核物理學的一個新的領域，研究在新型大科學裝置上已經或即將產生的數千個非穩定 (unstable) 原子核的性質。雖然現有的研究還是初步的，但已導致核物理學各個分支領域的巨大發展。
①核結構：挑戰基於穩定線附近的核，提出的核結構理論模型，如殼層模型和集體模型，同時有可能發現原子核中新的運動方式，現已經發現了奇特輕核有暈結構、集團結構、新幻數、非線性多核子關聯等新奇的量子多體現象。
②核衰變:幾千種不穩定的遠離β穩定線奇特核將提供極為豐富的核衰變種類，從中可以發現全新的衰變模式，如質子放射性 (單質子或雙質子) 結團放射性、β-緩發中子、β-緩髮質子、β-緩發裂變等。
③核反應：由於核素種類大大增多，將出現許多新的核反應體系，這些新的核反應體系將會導致新的反應類型和反應機制的發現，已經觀察到反常截面增大、多反應道耦合、集團破裂和多步轉移等新的核反應機制和效應。
④應用：現今核能的開發利用都是基於過去關於穩定核的結構、衰變和反應的知識，如今對遠離β穩定線奇特核的結構、衰變和反應的研究，將可能提供新的核鏈式反應的知識，使人們產生開發利用核能的新構思。放射性核束物理研究是對大批未知原子核的開創性研究工作，將合成許多新的原子核並研究它們的各種性質，這可能改變人們對原子核的傳統認識，發現完全新奇的核現象和新的物理規律。
（2）核內夸克的動力學
夸克和膠子是如何構成核子的?核子是體現強相互作用理論QCD的三種顏色合成無色及其非阿貝爾特性的最簡單的體系，但目前我們仍不能用QCD理論定量地描述核子的內部夸克-膠子結構，甚至連核子內部的有效自由度到底是什麼都還不清楚。
核子結構的經典圖像是由三個夸克組成，但越來越多的實驗跡象表明核子內部含有顯著的多夸克成分，膠子成分也對核子自旋極化等問題有貢獻。各種理論模型預言的很多核子激發態也都沒有找到，尋找"失蹤”的重子激發態是當前國際中高能核物理研究的一個熱點。
此外，如何在夸克層次上描述核子間的相互作用，是否存在多夸克態、雙重子態，核內核子的夸克膠子結構與自由核子有何不同等，都對了解強相互作用至關重要。由於非微擾特徵。如夸克膠子禁閉和手徵對稱性自發破缺，使得QCD描述低能強相互作用的困難很大。目前，只能使用格點QCD和有效場論以及QCD大NC展開等描述部分現象。如何直接從QCD理論研究強相互作用的性質，是物理學面臨的重大挑戰。
（3）相對論重離子碰撞與夸克膠子等離子體
QCD是強相互作用的基本理論。雖然微擾QCD取得了極大的成功，但低能禁閉和真空對稱破缺等非微擾現象一直是粒子物理與核物理中的難題。1974年，李政道提出，通過相對論重離子碰撞在一個較大的體積內產生高能量密度使得物理真空的破缺對稱性得到恢復，夸克膠子解除禁閉，在一個比強子尺度大的時空範圍內運動。夸克膠子運動空間的擴展意味着發生了從強子物質到夸克物質的退禁閉相變，產生的夸克物質叫做夸克膠子等離子體 (QGP) 。
另一個重要的QCD相變是真空中自發破缺的手徵對稱性在有限温度密度時的恢復。根據現代宇宙學，高温夸克物質可能是大爆炸後瞬間宇宙所處的狀態，探索和研究高温夸克物質能加深我們對早期宇宙的認識。對於目前存在於宇宙中的緻密星體，其內部很可能處於高密度夸克物質或強子物質態。
在地球上，相對論重離子碰撞是在實驗室產生新物質形態的唯一可能手段。已有明顯的證據顯示在實驗中可能已經產生了新的物質形態。由於高温高密的QGP只可能是重離子碰撞的中間狀態，低温低密的末態仍然是輕子強子態，碰撞系統是否經歷過QGP狀態要由末態分佈來反推。具有QGP特徵的末態分佈稱為產生了QGP的信號。由於QCD相變本身處於強耦合區域，不能用微擾理論，目前研究相變的理論工具主要是格點QCD計算和具有QCD對稱性的有效模型。如何確定QCD相變的信號和研究強耦合夸克物質的性質是目前相對論重離子碰撞和夸克物質研究的中心問題。
（4）核天體物理
核天體物理是研究微觀世界的核物理與研究宏觀世界的天體物理相結合形成的交叉學科，它應用核物理的知識和規律闡釋恆星中核過程產生的能量及其對恆星結構和演化進程的影響。
核過程是恆星抗衡其自引力收縮的主要能源和宇宙中各種核素賴以合成的唯一機制，在大爆炸以後的宇宙和天體演化進程中起極為重要的作用。恆星平穩核燃燒階段中的核過程基本上是沿穩定路徑發展的核反應。在新星、超新星和X射線爆等爆發性天體事件的高温環境中，發生的核反應與核素表中的穩定原子核全然不同。在擁有強放射性核束的今天，人們能夠在實驗室裏再現這些反應的過程。
目前，對於離穩定線不遠的核素，已經有相關數據；而對於遠離穩定線特別是在反應路徑附近的核素，數據較少或根本沒有。反應路徑本身與爆發性天體事件的物理環境（温度、密度，化學組成等）相關，當温度和密度很高時可能接近質子和中子滴線。爆發性天體事件中的核過程是當前核天體物理的前沿領域，相關數據的測量是極具挑戰性的研究工作。
02 核技術
核影像技術是最早應用的核技術，自從倫琴發現了X射線以後不久，便開始了核影像技術的應用。在人類健康以及醫學診斷中的應用是核影像技術成功應用的範例。
近20年來，以核影像技術為支撐的核醫學與分子影像學的發展尤為迅速，成為醫學臨牀診斷不可缺少的手段。核醫學功能影像可以比結構成像更早地發現病變，能夠真實地反映出疾病的發生和發展過程，在腦血管、心血管疾病和腫瘤診斷等方面成為疾病判定、治療效果評價的有效和重要的指標。世界各國的主要核科學研究機構紛紛利用核科學的基礎開展相關的技術研究，如歐洲核子研究中心 （CERN） 美國DOE的諸多國家實驗室、日本理化學研究所（RIKEN）、日本國家放射科學研究所 （NIRS） 等，都在加強成像技術研究及在神經、認知、腫瘤等方面的應用研究。美國國立衞生研究院（NIH）2001年就成立了美國國家生物醫學成像和生物工程研究院 （NBIB），其使命就是集中和協調將工程學和成像科學應用於生物學、醫學等領域的基礎研究。
放射治療是核技術在人類健康方面的另一重要應用。惡性腫瘤是常見病多發病，也是對人類健康危害極大的疾病，一直困擾着世界各國的醫學界，居各種死亡原因的第二位。目前，手術、放射治療和化學治療是腫瘤治療的三大手段。據統計，經不同方法治療的癌症患者五年存活率已達45%以上，其中有四成是經過放射治療的患者。
近年來，各種先進技術在基於加速器的放射治療領域的應用 (調強治療、圖像引導治療、質子治療、重離子治療等) 使得癌症放射治療的治癒率和有效控制率明顯提高，放射治療使某些早期局部性腫瘤獲得根治，同時，放射治療對癌症所在部位器官及其功能的保留有重要意義。特別是近幾年，電子直線加速器在X波段及C波段的發展使其進一步小型化，產生了一些新的放療設備，並逐步產業化。鑑於質子及重離子在放射治療中的獨特優勢，各國相繼開展了專門用於放射治療的質子和重離子迴旋及同步加速器的研究。可以預見，今後相當長的時期內放射治療仍會在腫瘤治療手段中佔有重要地位。
核能利用是核技術應用的最重要方面之一，幾乎涉及了核技術所有的技術方法，是核技術綜合應用的最好實例。一個國家核能利用水平的高低，往往也是其核技術及應用水平高低的綜合體現。安全、潔淨、高效的核能利用是世界各大國競相投入巨資進行研究發展的重點領域。
核技術在國家安全方面具有重要的用途。有毒有害物質以及爆炸物是危害國家安全和社會穩定的重要根源之一，其檢測和診斷技術的發展在全世界各個國家受到廣泛的重視，目前發展的技術手段基本上都是基於核技術，包括離子遷移率譜儀 （MS）中子散射、相干X射線、核四極共振等，其中MS技術因具備快速、高效、靈敏和小型等優點得到了最廣泛的開展和應用。此外，基於加速器X射線源的集裝箱檢測技術，用於海關口岸檢測走私、違禁物品，發揮了重要作用，產生了重大的社會效益和經濟效益。
核技術在考古學和文物研究方面發揮了重要作用。核技術的應用從根本上改變了考古學的面貌，使之逐漸成為定量表達的科學。核技術一經應用於考古學，便不斷地揭示出古代遺存的豐富潛信息，使考古研究提高到一個新的層次，從根本上改變了它的研究面貌，因而，從某種意義上講，核技術對考古學的發展有着特殊重要的意義。核分析技術因為具有無損分析的能力，在珍貴文物的研究中發揮了不可替代的作用。
輻照技術是核技術應用的傳統領域之一，在基礎研究、應用開發及工業生立中得到了廣泛應用。輻射技術主要利用輻射效應來解決特殊的技術問題。20世紀50年代，英國科學家發現聚乙烯電纜在核反應堆中受到輻照後發生交聯的現象，高分子材料的輻射效應及輻射加工得到迅速發展。1962年美國科學家利用脈衝電子加速器並採用時間分辨技術觀察到了輻射產生的水合電子，迅速推動了輻射化學和輻射技術的發展。
利用高能射線對物質進行照射引發的電離及各種後效應，輻射技術已經在聚合物材料、高性能纖維、食品滅菌與保鮮、醫療用品消毒、植物與微生物育種、環境治理、納米材料甚至文物保護、能源等須域發揮了重要作用。經過幾十年的發展，輻照技術方法已相對比較成熟，目前主要着重於推廣應用中的關鍵技術問題以及輻射生物學效應研究等，在國際上仍然呈現較快的發展態勢。此外，輻射化學與其他學科交叉亦有較廣闊的前途。
同步輻射技術作為一種基於加速器的核技術的擴展，近20年來在國際上得到了極為迅速的發展。同步輻射光源是由高能量電子或正電子作加速運動時發射出電磁輻射的裝置。同步輻射光源具有常規光源所不具備的寬連續譜、高亮度、高準直性、高偏振性、脈衝時間結構和高純淨等特性。它的應用為諸多學科的基礎研究、科學技術的發展及其應用提供了強大的實驗技術手段和綜合研究平台，極大地促進了多個學科 (如結構生物學、分子環境科學等) 的快速發展。它的建造和運行對加速器技術和其他高技術有重要推動作用。
目前國際上在這一領域的研究工作有兩方面的特色。一方面是同步輻射先進技術和新方法的研究。高空間分辨實驗技術與方法：典型空間分辨尺度由微米向納米推進快時間分辨實驗技術，典型時間分辨尺度由微秒(us)至納秒(ns)向納秒至皮秒(ps)推進。高能量分辨實驗技術，典型能量分辨率由eV向meV推進。高動量分辨實驗技術、高靈敏度實驗技術以及利用同步光極化特性的實驗技術與方法等，與之相關聯的分析理論方法的發展日益受到重視。
這些先進技術方法的發展大大擴展了同步輻射應用的範圍與深度，加深了對物質各層次結構和性質的認識，豐富和發展了非穩態結構和動力學過程的知識與理論，使其在物理學、化學、生命科學、材料科學、環境科學、能源科學、地學、醫學微電子學和微機械加工等領域有廣泛應用。
另一方面是同步輻射在上述各領域的廣泛應用，特別是在生命科學、材料科學、能源科學環境科學、醫藥學等具有重要實用前景的學科領域中的應用，可望對人類健康與社會經濟可持續發展產生重大影響。目前國際上已運行的第三代同步輻射光源，平均每台每年可供來自各學科領域的數千用户開展各類課題研究，是天然的學科交叉研究平台，受到了世界各國科技界的關注。到目前為止，全世界已運行和在建的同步輻射裝置超過60台，為數以萬計的研究課題提供實驗研究平台。
基於粒子加速器技術發展的高強度中子源技術 (散裂中子源) 把中子技術及應用推向了一個新的高度，大大擴展了常規中子散射技術應用的廣度和深度成為諸多學科研究和技術發展的一種重要手段。另外，國際上許多大學及研究機構也在相繼開展基於加速器的小型中子源的研究。例如，美國印第安納大學基於質子加速器的低能中子源 (low energy neutron source, LENS)、日本北海道大學基於電子直線加速器的中子源等，在中子和質子科學方面，開展創新性的研究工作及中子質子應用創新型人才的培養。
本文經授權轉載自微信公眾號“吉林大學物理學院”，原文摘自《未來10年中國學科發展戰略·物理學》“核物理與核技術”一節。