馬春旺：擁抱核物理新時代

本刊記者　全愛麗

馬春旺：擁抱核物理新時代

本刊記者全愛麗

到美國Texas A&M大學(xué)學(xué)術(shù)訪問

畢業(yè)于河南師范大學(xué)的馬春旺回到了昔日熟悉的母校，她坐落在被譽(yù)為“豫北明珠”的新鄉(xiāng)市。

在這片壯美而又靜謐的熱土上，馬春旺潛心做科研，如今的他成為河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院的校特聘教授、碩士生導(dǎo)師。踏足核物理領(lǐng)域8年有余并取得多項成果，截至目前，他主持了國家自然科學(xué)基金項目1項，受到河南省科技創(chuàng)新人才計劃（杰出青年）（ 2015～2017）、河南省高?？萍紕?chuàng)新人才計劃（2013～2015）和河南師范大學(xué)優(yōu)秀青年人才培養(yǎng)對象（2015～2017）等項目資助；先后在Phys.Lett. B、Phys. Rev. C和J. Phys. G等國內(nèi)外重要SCI學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文30多篇。

談“核”

在國際社會關(guān)系中，可謂是談“核”色變。作為一名核物理領(lǐng)域的專業(yè)科研人員，馬春旺說：“核包括的方面很多，軍事應(yīng)用是極端情況，還有很多基礎(chǔ)研究和民用應(yīng)用技術(shù)研究”。當(dāng)年，正是閱覽了楊福家先生撰寫的《原子核物理》，馬春旺便與核物理結(jié)下了不解之緣。

不可否認(rèn)，核技術(shù)是一項先進(jìn)技術(shù)。在能源領(lǐng)域，通過選用新堆型，提高安全性和降低建設(shè)造價，核能發(fā)電的貢獻(xiàn)不斷增大，對緩解能源危機(jī)產(chǎn)生重大意義；在醫(yī)學(xué)上，把放射性同位素與其標(biāo)記化合物引入人體內(nèi)，通過儀器觀察放射性在人體內(nèi)的分布情況和動態(tài)變化，來診斷臟器是否有病變并確定病變位置；目前國內(nèi)在利用高能量質(zhì)子束和重離子（質(zhì)量大于α粒子的離子）束進(jìn)行癌癥治療方面正如火如荼；在農(nóng)業(yè)中，滅蟲殺菌、食品保鮮和水利工程等方面，核技術(shù)都做出了重要貢獻(xiàn)。

2003年，馬春旺考取中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所粒子物理與原子核物理專業(yè)，從事重離子核反應(yīng)物理的相關(guān)研究。重離子核反應(yīng)物理是原子核物理學(xué)的一個分支學(xué)科，是利用加速到各種不同能量的重離子轟擊原子核，從而研究核結(jié)構(gòu)和運動變化規(guī)律。這是近20多年來原子核物理學(xué)的一個活躍的前沿領(lǐng)域。

重離子核反應(yīng)物理分理論和實驗兩個方面。研究生期間，馬春旺更偏重實驗，尋找當(dāng)時風(fēng)靡核物理界的“豐中子暈核”，“中子數(shù)比質(zhì)子數(shù)多的原子核叫豐中子核；質(zhì)子數(shù)比中子數(shù)多的核叫豐質(zhì)子核?！?985年，有科學(xué)家利用放射性核束裝置從實驗上發(fā)現(xiàn)了具有巨暈的豐中子核11Li，這引起了人們的強(qiáng)烈興趣，吸引了許多實驗和理論家相繼投入精力來研究這個方向。

“我們和國際的差距還是有的”，核物理實驗需要依靠裝置，而且是大型裝置，比如我國的蘭州重離子加速器國家實驗室，成立于1991年。隨著科技日新月異，國際已在推行第三代放射性核裝置。2006年，日本造價440億日元建成世界最強(qiáng)重離子加速器的核心——超導(dǎo)磁鐵環(huán)形加速器，可將鈾離子加速到光速的70%；還有美國密立根州立大學(xué)的稀有核束工廠（MSUFRIB）、日本理化研究所的稀有核束分離器（RIKEN-RIBF）、德國的放射性核束工廠（GSI-FAIR）和法國的放射性核素工廠（GANIL-SPIRAL2）等；而我國也正在建造新一代“強(qiáng)流重離子加速器（HIAF）”和北京放射性核束工廠（BRIF）?！爸挥忻颗_裝置不重復(fù)，才能做出有特色的成果”，這也是影響各國核物理研究發(fā)展的因素所在。

新方法突破舊難題

如今，馬春旺轉(zhuǎn)向重離子核反應(yīng)物理理論研究，在豐中子核素的性質(zhì)（結(jié)構(gòu)）理論和實驗測量、核技術(shù)的環(huán)境應(yīng)用方面開展研究。

重離子核反應(yīng)是用炮彈轟擊靶原子核，“就像兩輛汽車迎面相撞，必定造成一定損壞”。在碰撞過程中原子核會被壓縮，繼而產(chǎn)生很高的溫度，密度也隨之變大。如此一塊高溫、高密度的物質(zhì)體積并不穩(wěn)定，它們發(fā)生膨脹而漸漸冷卻，過程中便會產(chǎn)生很多新物質(zhì)。馬春旺的工作就是研究這些新物質(zhì)。在沒有放射性核裝置時，原子核受到撞擊產(chǎn)生的奇特物質(zhì)是難以看到的，隨著裝置的研發(fā)成功，為研究提供了條件，研究人員可以探究反應(yīng)產(chǎn)物中有何物質(zhì)。

“對于豐中子核來說，中子的密度分布與穩(wěn)定原子核是不同的”，如果一直向穩(wěn)定的原子核中添加中子，原子核會一直變大，也會逐漸不穩(wěn)定。但添加中子的數(shù)目有一個極限，在核素圖上把各個元素的極限豐中子核素相連，會在β穩(wěn)定線下方得到中子滴線；相反，位于β穩(wěn)定線上側(cè)的是質(zhì)子滴線。豐中子核的邊緣存在很大的中子彌散分布，總體看起來豐中子核就像穿了一件中子皮。這層皮到底有多厚？目前在實驗上還很難探測到，這也是多少年來困擾原子物理界的一個難題。于是，馬春旺根據(jù)重離子核反應(yīng)過程提出了一些關(guān)于中子皮厚度測量的觀測方法。據(jù)悉，此項工作已經(jīng)進(jìn)行了很長時間，目前仍在研究之中。而他并沒有因為這是場拉鋸戰(zhàn)而減少興趣和激情。

除了測量中子皮厚度，觀察豐中子核里中子密度的分布變化也是馬春旺的研究內(nèi)容之一。在這個過程中，他把一個新的分析方法引入到重離子核反應(yīng)分析中，即信息熵。信息熵是研究信息流的一種方法，可以將其理解成某種特定信息的出現(xiàn)概率。一個系統(tǒng)越是有序，信息熵就越低；反之，系統(tǒng)越是混亂，信息熵就越高。信息熵也可以說是系統(tǒng)有序化程度的一個度量。“我們用這種方法研究重離子核反應(yīng)里面的現(xiàn)象，同時可以研究密度分布和在系統(tǒng)中變化的情況”。2015年，馬春旺通過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，“在重離子核反應(yīng)所產(chǎn)生的產(chǎn)物中，中子豐度不同的原子核的信息熵存在一致的規(guī)律。”

為研究重離子核反應(yīng)性質(zhì)提供新方法，并且通過實驗驗證其可行性——馬春旺的研究目標(biāo)就在于此。而實際上，在重離子核反應(yīng)研究中，實驗的觀測方法常常弱于實驗技術(shù)的發(fā)展。實驗通常能夠提供豐富的數(shù)據(jù)，但實驗做完，科研者很難解釋清其背后某些的規(guī)律，“我們知道某個方面是個難題，但是沒有辦法研究它”。因此，馬春旺希望能提出一些新的觀測、研究方法，用以研究比如中子密度分布、中子皮厚度和核反應(yīng)溫度等固有難題。

與指導(dǎo)的研究生和本科生一起

興趣是最好的老師

做科研不是三天打魚兩天曬網(wǎng)，需要持續(xù)不斷地投入，而興趣是提供這一動力的來源。在馬春旺看來，興趣可以通過后天逐漸培養(yǎng)，“剛開始，我對所研究的領(lǐng)域并不了解，之后越做發(fā)現(xiàn)越感興趣”。有了興趣，還要能夠“坐得住”，也就是能深入鉆研并探索未知的奧秘。這兩點是馬春旺認(rèn)為做科研的必備素質(zhì)，二者缺一不可。

如今身為老師的馬春旺，肩負(fù)起培養(yǎng)學(xué)生的重?fù)?dān)。他過往的經(jīng)驗同樣適用于學(xué)生，“要想把研究做好，最重要的還是興趣，所以我側(cè)重在培養(yǎng)學(xué)生的興趣”。學(xué)生一開始對這個行業(yè)或多或少是陌生的，因此要想建立起他們的興趣需要采取一些方法。在布置課題時，馬春旺不會把一個非常難的課題直接給學(xué)生就放手不管，相反他會先布置一個相對容易的課題，讓他們先入門，之后再循序漸進(jìn)地加大難度?！笆紫任倚闹幸幸粋€規(guī)劃，如何一步一步把他們引導(dǎo)到最終的目標(biāo)上”，馬春旺可謂用心良苦，“這樣他們遇到的困難就會小一些，建立起興趣也會容易些”。學(xué)生一旦激發(fā)起興趣，并擁有一定基礎(chǔ)，馬春旺便會鼓勵他們獨立地思考，反思過程中遇到的問題，“這是能力培養(yǎng)的一個過程，發(fā)現(xiàn)問題的能力、解決問題的能力”。

近幾年來，他教過的學(xué)生，畢業(yè)時都已在重要SCI學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表過文章，每年也都有學(xué)生獲得國家獎學(xué)金。這些成績或許是對馬春旺教學(xué)的最大肯定和褒獎。他深有感慨，“過去有六七年的時間我們一直在坐冷板凳，但是我們并沒有放棄，仍是很有興趣地在研究”。未來，對于核物理來說將是個嶄新的時代，“我們在等待這個新時代開始，我們期望裝置運行之后能發(fā)揮自己的作用，把提出的觀測方法做實驗驗證，這樣，對于我這樣一個過去做實驗現(xiàn)在做理論的人來說，可以重新走回實驗的路上，在實驗中做出自己的貢獻(xiàn)，這對我來說非常重要。”

同國內(nèi)熱門研究院所相比，馬春旺所在的河南師范大學(xué)稍顯冷清。不為功成名就，只求心之所向，他期待有更多的有志之士加入這個大團(tuán)隊，共同做有興趣的研究，為我國的核物理事業(yè)增磚添瓦。