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2021物理诺奖 | 粒子微观世界的复杂现象

2021-10-09 17:06     来源:中科院近代物理所     粒子物理原子核
2021年度诺贝尔物理学奖一半颁给了意大利理论物理学家Giorgio Parisi(乔治·帕里西),表彰他“发现了从原子到行星尺度的物理系统中无序和涨落的相互作用”。

至今五十多年的科研生涯中,帕里西硕果累累,获奖无数,包括1999年狄拉克奖、2000年费米奖、2005年海涅曼数学物理奖等。今年,可谓是帕里西的大奖“丰收年”,除了诺贝尔奖,他还获得了沃尔夫物理学奖。

沃尔夫基金会网站介绍,帕里西因“在无序系统、粒子物理学和统计物理学方面的突破性发现”而荣获沃尔夫物理学奖,并特别提到他于1977年,与 Altarelli一起提出了演化方程,可以准确地表述夸克和胶子在质子和原子核中的分布情况。


图 帕里西教授。图源| Breaking Latest News

帕里西在自旋玻璃方面的工作,已经有很多解读了。这里,我们从帕里西在粒子物理领域的贡献谈起,介绍由他和同行们的研究引发的对粒子微观世界复杂性现象的研究热潮。

1 帕里西其人

帕里西的父亲和祖父都是建筑工人。如果他跟随家人的脚步,他可能正在研究钢铁和混凝土,而不是复杂系统。1970年,帕里西在“当时罗马最杰出的理论家”尼古拉·卡比博的指导下获得了罗马大学的学位。随后,他立即前往位于罗马附近的一家拥有粒子加速器的实验室——Laboratori Nazionali di Frascati 工作。他在实验室工作了10 年,之后来到罗马第二大学担任理论物理学教授。1992年,他来到罗马第一大学,现为罗马第一大学的量子理论教授,研究重点是量子场论、统计力学和复杂系统。帕里西开始独立科研生涯的起点是在粒子物理领域。帕里西曾回忆说:“当时人们普遍认为粒子物理学是最具挑战性和最重要的事情”。1973年,帕里西曾和霍夫特一起研究强相互作用理论,不过,由于某些因素,错过了提出量子色动力学(QCD)理论的机会。帕里西在粒子物理领域的主要贡献是(和其他人)提出了第一个QCD演化方程——DGLAP方程。


图 帕里西教授。图源| EU Political Report

2 DGLAP演化方程

半个世纪以来,无论是在理论上还是在实验上,对质子和中子或“核子”(原子核的基本组成部分)的理解都得到了极大的发展。在高分辨率下,质子内部结构非常复杂:存在着数不清的胶子和由夸克、反夸克组成的“海洋”,这些夸克、反夸克不停地出现又消失。在外部“观察者”看来,一个快速运动的质子内大量胶子存在的时间随着速度的增加而增加。因此,从效果上说,通过加速质子,我们可以在时间上减慢胶子涨落,进而利用探针粒子与高能质子的相互作用来给质子“拍快照”。物理学者们都有一个普遍的愿望:尽可能将任何复杂的物质结构与变化规律还原成最基本的统一的规则。为了理解质子内部的复杂结构和演化规律,人们通常采用QCD演化方程进行描述。其主要原理是:目前的QCD理论不能从第一性原理出发计算夸克和胶子的分布,而通过演化方程,可以从某已知的初始分布(实验测量或者模型预言)得到其它情况下的分布。其中,使用得最普遍的是帕里西等人提出的DGLAP方程。DGLAP方程,是由三组研究人员独立发现的,DGLAP分别代表着五个发现者的姓氏首字母:1972年,苏联理论物理学家Gribov和Lipatov提出部分子密度的演化方程;1977年,帕里西和Altarelli用一种简洁的方法独立推导出类似的演化方程——AP方程;也是在1977年,苏联学者Dokshitzer独立提出了演化方程。DGLAP方程是分布函数随探针尺度变化的演化方程:夸克和胶子分布函数随探针尺度的变化,是由辐射胶子或胶子变为正反夸克的概率所决定的。自DGLAP方程提出来以后,科学家们进一步提出了更多的演化方程,比如BFKL方程、BK方程和JIMWLK方程,等等。这些演化方程是高能粒子物理的基石,成功地描述和解释了世界上许多高能物理实验,包括德国DESY实验、美国JLab实验和欧洲核子中心LHC实验等。沃尔夫基金会认为,“在利用高能散射实验,高分辨率分析物质的基本结构时,帕里西的演化方程是必不可少的”。今天,DGLAP方程和其他演化方程一起,是联系强相互作用理论与高能物理实验的重要桥梁,是这个领域研究者手中的“葵花宝典”。


图 各种演化方程。图源| 美国EIC白皮书

更有趣的是,在高能情况下,从QCD演化方程可以推导出色玻璃凝聚现象,包括色玻璃凝聚和胶子凝聚等,这正是粒子微观世界的复杂现象。

3 作为复杂系统的质子

我们对 QCD演化方程的理解和应用得益于统计和数学物理学的最新进展。法国学者Munier等人证明:部分子(夸克和胶子的统称)的演化,和反应扩散过程中经典粒子系统随时间的演化相似。这种系统的动力学本质上由随机FKPP方程的普遍性类中的方程控制。FKPP方程是一个随机非线性偏微分方程,是物理学、化学、生物学、人口动力学等学科中一个非常重要的数学模型。这就是说,部分子的演化是随机过程。对于随机过程,往往存在一些奇特的现象,比如:色玻璃凝聚。如果设法将质子加速到接近光速,就会展现出一种奇异的现象:质子内部胶子的数量急剧增加。这是因为,光速飞行的“胶子”会分裂,形成一对能量较低的胶子,产生的胶子还会发生进一步的分裂。最后,质子内部的胶子数量将达到一个上限,胶子的数量不再增加,这时,光速飞行的质子所表现出来的状态被称为“色玻璃凝聚态”,它的存在是QCD中胶子自身相互作用的一个直接结果。“色玻璃凝聚”名称中的“色”是指夸克和胶子由于强核力而携带的一种电荷。“玻璃”一词是从二氧化硅和其他无序的术语中借用的,它们在短时间范围内像固体一样起作用,而在长时间范围内像液体一样起作用。


图 随着探针能量的提高,产生更多的夸克和胶子,在满足一定条件时,会出现色玻璃凝聚现象。有学者深入研究了演化方程,发现在胶子色玻璃凝聚点附近,存在类似自旋玻璃现象,这是夸克和胶子层次的自旋玻璃。这个方向还有待更多的探索。

4 结语

对物质深层次结构及其相互作用基本性质的研究,始终是自然科学最基础也是最前沿的领域。将物质和相互作用还原成简单的基本规律,并不意味着从这些规律出发,我们就可以理解和掌握了自然规律。对于多粒子复杂系统,不同层次会展现出不同的性质。现代核物理的一个重要目标是直接从夸克和胶子的动力学中理解质子的内部结构。由帕里西等人开创性地提出DGLAP等演化方程,将核子内部结构视为复杂的相互作用的多体系统,正确地描述质子内部的部分子产生和湮灭的无序和涨落现象,开启了对夸克和胶子集体行为的复杂性的研究。帕里西等人对各种复杂系统的研究,显示了数学和物理定律的普遍性。正如诺贝尔奖委员会所指出的那样,帕里西发现这种复杂性普遍地存在于微观到宏观系统——“physical systems from atomic to planetary scales”!

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