攻克原子核的半径计算问题

无论是在量子物理还是量子化学中，强相互作用系统都起着至关重要的作用。随机过程方法是用于描述这类系统的一种行之有效的方法。然而，这类方法也有其局限性，比如它会“低估”原子核的半径。

在一项于近期发表在《自然》杂志的研究中，一个国际研究小组使用一种所谓的波函数匹配法解决了这个问题。他们用这种方法计算了原子序数在2到58之间的所有原子核的质量和半径，得到与实验测量结果一致的答案。

研究人员发现了一种计算原子核大小的新方法。（图/Prof. Serdar Elhatisari / uni-bonn.de）

从头计算法

我们知道，目前已知的所有普通物质都是由原子组成的，而每个原子又是由更小的质子、中子和电子构成的。负责将质子和中子结合在一起，以及将构成了质子、中子和其他重子的夸克“黏”在一起的是强力。强力是已知的四种基本力之一，在很短的距离内，它具有吸引力，并且比电磁力要强得多。

一直以来，为了研究原子核（由质子和种子构成），物理学家经常使用“从头计算法”。这类方法通过描述复杂系统中的基本组成部分及其相互作用，对复杂系统进行计算。在核物理学中，这种基本组成就是质子和中子，因此这些计算就从质子和中子开始。

对于核子数量较少的原子核来说，从头计算法在描述原子核的结合能及其性质，以及核结构会如何影响质子和中子之间潜在的相互作用方面，表现得非常出色。但是，随着核子数量增多，或者核子间的相互作用变得更加复杂时，这类方法就开始出问题了。

这个问题对一种通被称为蒙特卡罗模拟的从头计算法尤为严重。蒙特卡洛模拟是一种使用随机过程来对所需的物理量进行计算的方法，尽管它可以是高效而强大的，但它会遇到符号问题——当正负贡献相互抵消时，就会出现这个问题。其结果就是最终计算结果中的统计误差大幅增加，使得物理学家可用这种方法进行研究的系统非常有限。

波函数匹配法

在新的研究中，研究人员采用了一种被称为波函数匹配的方法解决了这个问题。

这种方法非常简单。在这种方法中，他们以一级近似，将复杂的问题映射到一个没有这种符号振荡的简单模型系统上。换言之，他们假设存在一个简单的相互作用，并用这个更简单的没有符号振荡的波函数，代替一个复杂的相互作用的波函数。‍‍

波函数匹配法。（图/Prof. Serdar Elhatisari / uni-bonn.de）

过去，研究人员在量子多体理论中经常面临这样的问题：虽然他们想要使用更简单的近似相互作用来进行计算，但高保真相互作用会导致在使用这类方法时出现严重的计算问题。

新的波函数匹配法去除了高保真相互作用中的短距离部分，并用一个更易于计算的相互作用中的短距离部分取而代之。这种替换保留了原始的相互作用中的所有重要属性，而由新的波函数所带来的任何误差，都可以用一种被称为微扰论的标准方法来处理。

开启新的可能

研究人员将这种新的方法应用在了轻质量和中等质量原子核、中子物质和核物质的晶格量子蒙特卡罗模拟上，并发现他们可以精确地预测原子在2~58之间的所有原子核的质量和半径，这些结果与现有文献中的实验数据结果一致。

曾经由于符号问题而无法进行的计算现在可以通过波函数匹配进行。这种方法的出现意味着，物理学家将能够对核结构和动力学进行精确计算。现在，研究人员计划在结构和反应计算上测试这种方法，以便进一步改进这种方法。

#创作团队：

撰文：小雨

排版：雯雯

#参考来源：

https://www.uni-bonn.de/en/news/109-2024

https://physicsworld.com/a/nuclear-physicists-tame-radius-calculation-problem/

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07422-z

#图片来源：

封面图&首图：Prof. Serdar Elhatisari / uni-bonn.de