科学家们通过模拟实验首次详细描述了原子分裂成两半的微观过程，揭示了核裂变过程中的新见解，这一过程定义了科学和技术的新时代。这项研究提供了对原子核分裂时亚原子粒子行为更精确的理论描述，包括预测裂变过程中释放的高能中子的能量、角分布和逃逸方向。
“原子”这个词来源于拉丁语，意为“不可分割的”。但不要被这个名称误导。
美国理论物理学家的一项模拟首次以微观角度全面描述了原子裂变的瞬间，为这一极具能量的事件提供了新的见解，这一事件标志着科学和技术新时代的到来。
1938年，当物理学家奥托·哈恩、丽泽·迈特纳和弗里茨·施特拉斯曼发现铀原子核在受到中子轰击后分裂成两部分时，我们意识到“原子”这一小小的词语是多么不恰当。几十年过去了，尽管核裂变已经被用于战争、能源、医疗和科学研究中，但其本质仍然难以揭示。在简单模型中，质子和中子像糖果机中的糖球一样聚集在一起，但一个大原子核的内部却是一片量子活动的狂风暴雨。
要理解单个核子在静态原子中的行为和相互作用已经很具挑战性，更不用说那些经历重大转变的原子了。
为了使这一过程更容易理解，来自洛斯阿拉莫斯国家实验室和华盛顿大学的理论物理学家将核裂变过程分为四个步骤。
在最初的10^-14秒（大约如此）内，慢速移动的中子引发了原子核的膨胀并重新排列，形成一个所谓的“鞍点”，此时的原子核看起来有点像一个微小的花生壳。
随后发生了一个更为迅速的变化，称为“鞍点到裂变”的转变，这一阶段中裂变的碎片逐渐形成，持续大约5×10^-21秒。
第三步是更快的“颈部断裂”阶段，即所谓的“裂变”，在10^-22秒的瞬间，原子核正式分裂。
最后一步则相对较慢，花费了约10^-18秒，裂变的碎片逐渐定型并加速飞离，释放出中子和伽马射线，并可能在短暂的延迟后触发其他衰变过程。
关于从“花生”到“爆裂”过程中亚原子粒子的精确运动，有多种理论。但在许多情况下，实验结果要么与物理学的基本假设相矛盾，要么与描述质子和中子相互作用的微观模型不符。
基于由华盛顿大学物理学家Aurel Bulgac领导的框架，该量子多体模拟是迄今为止最精确地描绘出裂变瞬间——即大原子核两半分裂时的桥接区域收缩并分离的时刻。
对铀-238、钚-240和锎-252在不同初始条件下进行的计算，广泛使用了美国能源部橡树岭国家实验室的超级计算机。
“这是迄今为止对颈部断裂最精确、最仔细的理论描述，没有任何假设或简化。”Bulgac表示。“我们提出了一个非常具体的预测，之前从未有过。以往的理论总是基于假设：‘假如这一过程发生，那么我们可能会看到这些现象。’而我们没有这样做。我们只是将核物理中已知的运动方程与高精度的量子力学结合起来，没有其他假设。”
一条典型裂变轨迹中，亚飞秒时间尺度内中子数密度的时间序列。(Abdurrahman等，2024年《物理评论快报》)
模拟揭示了裂变过程中的一些意外现象。某些模型曾预测颈部断裂过程中会有大量的量子随机性，而团队的模型则发现，在裂变点出现之前，亚原子粒子密度中有一个清晰的“皱褶”。
此外，模拟还表明两类核子（质子和中子）分裂的时间存在明显差异，质子颈部的断裂先于中子颈部的断裂完成。关键的是，模拟证实了在裂变阶段释放高能中子的争议性假说，模型甚至预测了这些中子的能量、角分布及逃逸方向。
“多数实验是在裂变碎片运动的方向寻找这些中子，但由于大多数是由热碎片发射的热中子，他们未能区分出裂变中子。”Bulgac表示。
在这些预测的基础上，下一步将是通过实验验证这些最新发现，即所谓“不可分割”的原子如何一分为二。
该研究已发表于《物理评论快报》。