編者按：2007年初，按中國(guó)科協(xié)的規(guī)劃，中國(guó)物理學(xué)會(huì)組織了一些專家學(xué)者編寫中國(guó)的物理學(xué)科發(fā)展報(bào)告。這里，我們邀請(qǐng)參與編寫發(fā)展報(bào)告的部分專家，對(duì)物理學(xué)一些分支領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)況做扼要介紹，供各位物理教師參考。下文是本系列推出的第一篇文章。

作者簡(jiǎn)介：中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所研究員，博士生導(dǎo)師。1963年畢業(yè)于吉林大學(xué)物理系，1963－1967年是兩彈元?jiǎng)子诿粝壬芯可?，?992年起任中國(guó)核物理學(xué)會(huì)核結(jié)構(gòu)專業(yè)委員會(huì)主席和副主席。長(zhǎng)期從事極端條件下的核結(jié)構(gòu)，核天體物理中的中子星性質(zhì)及核內(nèi)非核子自由度的研究。主持多項(xiàng)國(guó)家級(jí)科學(xué)項(xiàng)目，其中研究項(xiàng)目“高自旋與超變形核態(tài)的研究”1993年獲原國(guó)家教委科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，“原子核與超核性質(zhì)的介子探針研究”1997年獲原國(guó)家教委科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，“原子核的奇特性質(zhì)及新集體轉(zhuǎn)動(dòng)模式的研究”2000年獲教育部自然科學(xué)一等獎(jiǎng)。

貝克勒爾1896年發(fā)現(xiàn)了鈾元素的天然放射性，揭開了現(xiàn)代物理的序幕。同時(shí)，它也標(biāo)志著原子核物理的起點(diǎn)。核物理的主要研究對(duì)象是原子核的結(jié)構(gòu)、反應(yīng)和衰變。一百多年來，通過核物理的研究，人們對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)、微觀世界與宏觀世界運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)不斷深化；到20世紀(jì)末，核物理的發(fā)現(xiàn)和成果，得到過17個(gè)年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)和8個(gè)年度的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)；核武器的研制與核能源的開發(fā)利用，對(duì)人類歷史進(jìn)程發(fā)生了巨大的影響；因此，原子核物理一直受到社會(huì)的普遍關(guān)注。下面，我們把原子核物理的發(fā)展現(xiàn)狀，做一簡(jiǎn)要介紹。

原子核的尺寸很小，它的線度只有原子的十萬分之一。但是，它的質(zhì)量卻占一個(gè)原子的99.9%以上。所以，我們的地球和宇宙中星體的質(zhì)量，基本上都是由原子核貢獻(xiàn)的。而恒星中對(duì)抗引力塌縮的力量，主要是來自輕原子核的燃燒過程。所以，原子核物理的研究范圍，既可以小到10^-15米的微觀尺度，也可以大到宏觀的恒星尺度。

從上個(gè)世紀(jì)30年代中子的發(fā)現(xiàn)起，就建立了原子核主要由中子和質(zhì)子（它們又統(tǒng)稱核子）組成的圖像。這個(gè)圖像，至今仍然正確。但是，由于粒子物理的發(fā)展，人們可以把一些其它的粒子，如Λ超子和Σ超子，束縛在原子核內(nèi)，構(gòu)成了所謂的超核。對(duì)超核的研究，已經(jīng)成為核物理的一個(gè)重要領(lǐng)域。核子間的主要相互作用是強(qiáng)相互作用，又稱核力。此外，弱相互作用與電磁相互作用在原子核中也扮演著重要的角色。原子核是一個(gè)由這些基本相互作用支配的有限量子多體系統(tǒng)，由此而建立的核多體理論獨(dú)具特色。這些理論既有非相對(duì)論性的，也有相對(duì)論性的，它們?nèi)蕴幱诓粩嗟陌l(fā)展之中。

自然界存在的穩(wěn)定原子核不到300種。如果以中子數(shù)為橫軸，質(zhì)子數(shù)為縱軸，把原子核排列起來，就構(gòu)成所謂的核素圖。圖中的每個(gè)原子核叫一個(gè)核素。到目前，加上實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)和產(chǎn)生的各種壽命的不穩(wěn)定原子核，核素的總數(shù)已經(jīng)有3000多個(gè)。但是，理論預(yù)言，核素的總數(shù)應(yīng)當(dāng)有8000多個(gè)。對(duì)這些未知核素以及已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的不穩(wěn)定核素進(jìn)行探索和研究，構(gòu)成了當(dāng)代原子核物理的幾個(gè)重大前沿領(lǐng)域，包括放射性核束物理、核天體物理以及超重元素的合成。

在核素圖中（圖1），所有穩(wěn)定的原子核，都落在一條從左下角伸向右上角的斜線的附近。這條線被稱為β-穩(wěn)定線。因?yàn)?，這些核相對(duì)于β-衰變是穩(wěn)定的。相對(duì)于β-衰變穩(wěn)定的原子核內(nèi)，其質(zhì)子和中子數(shù)目，都有一個(gè)比較合適的比例。當(dāng)核素逐漸離開β-穩(wěn)定線時(shí)，這個(gè)比例會(huì)變得過大或過小，其壽命不斷變短?，F(xiàn)有的原子核理論，基本是來自對(duì)穩(wěn)定核的研究。在遠(yuǎn)離β-穩(wěn)定線核區(qū)，原子核處于弱束縛狀態(tài)。對(duì)于一個(gè)穩(wěn)定原子核性質(zhì)的描述，基本上可由其負(fù)能狀態(tài)決定。但是，對(duì)于一個(gè)弱束縛體系，其性質(zhì)還與正能的連續(xù)態(tài)有關(guān)。這種與連續(xù)態(tài)耦合以及其它一些因素的影響，使得原子核的基本結(jié)構(gòu)和反應(yīng)過程可能發(fā)生重要的變化，如出現(xiàn)暈結(jié)構(gòu)、集團(tuán)結(jié)構(gòu)、新幻數(shù)、軟巨共振、多反應(yīng)道耦合和多步反應(yīng)過程等。因此，產(chǎn)生并研究這些遠(yuǎn)離β-穩(wěn)定線的核素，既可以擴(kuò)展和深化對(duì)于原子核性質(zhì)的認(rèn)識(shí)，又可以對(duì)現(xiàn)有理論進(jìn)行極其重要的檢驗(yàn)，促進(jìn)理論的發(fā)展。同時(shí)，宇宙中元素的形成和演化，大都經(jīng)由這些不穩(wěn)定核進(jìn)行。研究這些核素的性質(zhì)及它們參與的核反應(yīng)過程，對(duì)于核天體物理具有非常重要的意義。而宇宙中的中子星，可以看成是一個(gè)主要包含中子（和少量質(zhì)子）的巨大原子核。對(duì)中子星等致密星體的研究，已經(jīng)成為核物理界與天文界共同關(guān)注的課題。這些研究構(gòu)成了當(dāng)前核物理的兩個(gè)重大前沿領(lǐng)域，即“放射性核束物理”與“核天體物理”。

在核素圖中，沿質(zhì)子數(shù)增加的方向發(fā)展，當(dāng)原子序數(shù)接近和超過100時(shí)，核素的壽命越來越短。但是，理論預(yù)言，在原子序數(shù)為114附近，可能會(huì)有一些長(zhǎng)壽命甚至穩(wěn)定的核素。一般地，人們把103號(hào)以上的元素稱為超重元素，把114號(hào)元素附近的長(zhǎng)壽命的核素構(gòu)成的區(qū)域，稱為超重穩(wěn)定島。合成超重新元素、攀登超重穩(wěn)定島是自然科學(xué)的一個(gè)基本問題，也是對(duì)一個(gè)國(guó)家科研水平的重要檢驗(yàn)。從上個(gè)世紀(jì)的中后期開始，國(guó)際上的幾個(gè)大實(shí)驗(yàn)室展開了激烈的競(jìng)爭(zhēng)。個(gè)別國(guó)際著名的實(shí)驗(yàn)室里還出現(xiàn)了有人假造合成116號(hào)和118號(hào)元素?cái)?shù)據(jù)的丑聞。目前，實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)合成的111號(hào)（及其以下）元素已經(jīng)得到國(guó)際組織的命名。但是，已經(jīng)合成的這些核素的壽命都很短，并且隨著原子序數(shù)的增加壽命仍呈降低的趨勢(shì)，生成超重核的難度也越來越大。因此，如何尋找和到達(dá)超重穩(wěn)定島，仍然是一個(gè)國(guó)際上備受關(guān)注的重大科學(xué)前沿領(lǐng)域。

在原子核物理的歷史進(jìn)程中，演化出基本粒子物理這一姊妹學(xué)科。反過來，基本粒子物理的發(fā)展，又促進(jìn)了核物理研究的深入與擴(kuò)展。現(xiàn)在，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，核子是由夸克和膠子組成。因此，從物質(zhì)結(jié)構(gòu)的更深層次，即夸克和膠子層次，來研究原子核，研究核子的結(jié)構(gòu)及其相互作用，構(gòu)成了核物理的另一個(gè)重大前沿領(lǐng)域。同時(shí)，它也是原子核物理和粒子物理的交叉領(lǐng)域。

用具有一定能量的粒子，轟擊另一個(gè)原子核，觀察它所發(fā)生的變化，是研究原子核的重要手段。這個(gè)相互作用的過程，就是原子核反應(yīng)?？梢杂米魅肷渑趶椀?，除中子、質(zhì)子、氘核、α粒子和電子外，粒子物理的發(fā)展為人們提供了多種基本粒子，如π介子、K介子、μ子以及超子等，作為研究原子核的探針。另一方面，重離子（即比氦重的原子核）加速器的出現(xiàn)與發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)重原子核之間的反應(yīng)，使核反應(yīng)的種類大為豐富，為核物理開拓了更為廣闊的發(fā)展空間。前述的遠(yuǎn)離β-穩(wěn)定線的核素和超重元素，都是以重離子加速器為主要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。通過各種重離子反應(yīng)，還可以產(chǎn)生多種奇異核態(tài)，如高速旋轉(zhuǎn)的原子核，轉(zhuǎn)動(dòng)速度可達(dá)10²²次/秒，是目前自然界中最快的轉(zhuǎn)動(dòng)。高速轉(zhuǎn)動(dòng)的原子核中出現(xiàn)了很多奇特的性質(zhì)，對(duì)它們的研究，構(gòu)成了“高自旋物理”的主要內(nèi)容。

當(dāng)重離子加速器的能量進(jìn)一步提高，使被加速的原子核的速度接近光速時(shí)，就可以把兩個(gè)很重的原子核擠壓在一起，以至于可能把核子的界限打破，使囚禁在核子內(nèi)部的夸克和膠子脫逸出來，形成所謂的夸克-膠子等離子體（quark-gluon plasma，簡(jiǎn)稱QGP）。這是一種全新的物質(zhì)形態(tài)。探索產(chǎn)生QGP的途徑，研究它的獨(dú)特性質(zhì)，構(gòu)成了核物理與粒子物理和宇宙學(xué)交叉的又一個(gè)重大前沿領(lǐng)域。

針對(duì)上述重大前沿領(lǐng)域的研究目標(biāo)，從上世紀(jì)末到本世紀(jì)初，國(guó)際上一批大科學(xué)裝置已經(jīng)建成或正在興建。如美國(guó)的高能強(qiáng)流連續(xù)電子加速裝置CEBAF，可從夸克層次研究原子核；美國(guó)的相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)RHIC和西歐核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC，是研究QGP的主要設(shè)備；美國(guó)、歐洲、日本和我國(guó)已經(jīng)建成和正在興建的幾個(gè)大型的放射性核束裝置和升級(jí)改造的重離子加速器（圖2給出了我國(guó)的大科學(xué)工程——蘭州重離子加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)主環(huán)），為“放射性核束物理”、“核天體物理”和超重元素的合成，奠定了良好的基礎(chǔ)。在如此短的時(shí)間內(nèi)，有這么多的大科學(xué)裝置投入運(yùn)行或即將投入運(yùn)行，這是核物理發(fā)展歷史中前所未有的局面。它必將為核物理提供前所未有的發(fā)展良機(jī)。

同時(shí)，核物理和核技術(shù)與其他學(xué)科的結(jié)合，如應(yīng)用中子與輕、重離子進(jìn)行的原子、分子物理，材料科學(xué)，生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)等方面的研究，都在迅速發(fā)展并形成許多門類的交叉學(xué)科。核武器與核能源，仍然是當(dāng)今世界各國(guó)普遍關(guān)注的重大問題。這些廣泛的社會(huì)需求，也給予了核物理巨大的推動(dòng)力量。

因此，抓住前所未有的發(fā)展良機(jī)，借助社會(huì)發(fā)展給予的巨大推動(dòng)力量，我們期待核物理在21世紀(jì)再創(chuàng)新的輝煌。

(欄目編輯廖伯琴)