等離子體物理學(xué)中有趣的問題包括圍繞X射線脈沖星的那些 - 坍縮的恒星繞宇宙伴星運行，并以規(guī)則的間隔發(fā)出光束，就像天空中的燈塔一樣。物理學(xué)家想知道圍繞這些脈沖星的磁場強度和等離子體密度，這可能是太陽等恒星中等離子體密度的數(shù)百萬倍。

美國能源部(DOE)普林斯頓等離子體物理實驗室(PPPL)的研究人員已經(jīng)開發(fā)出等離子體波理論，可以比標(biāo)準(zhǔn)方法更詳細(xì)地推斷出這些特性。這項新研究通過將愛因斯坦的相對論與量子力學(xué)相結(jié)合來分析脈沖星周圍的等離子體，量子力學(xué)描述了亞原子粒子的運動，如原子核 - 或離子 - 和等離子體中的電子。美國能源部科學(xué)辦公室支持這項工作。

關(guān)鍵的見解來自量子場理論，它描述了相對論的帶電粒子，意味著它們以接近光速的速度傳播。“量子理論可以描述等離子體中波傳播的某些細(xì)節(jié)，”普林斯頓等離子體物理項目的研究生袁石說，他是7月29日發(fā)表在物理評論雜志上的一篇論文的主要作者。然后，了解傳播背后的相互作用可以揭示等離子體的組成。

Shi在共同作者Nat Fisch，普林斯頓大學(xué)等離子體物理學(xué)項目主任和天體物理學(xué)副教授，以及PPPL的物理學(xué)家和核科學(xué)學(xué)院的執(zhí)行院長洪勤的幫助下開發(fā)了這篇論文。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的技術(shù)。“當(dāng)我計算出數(shù)學(xué)時，他們向我展示了如何應(yīng)用它，”施說。

在脈沖星中，磁層中的相對論粒子，圍繞身體的磁化大氣吸收光波，這種吸收在黑體背景下顯示出峰值。“問題是，這些峰值意味著什么?” 施問道。他發(fā)現(xiàn)，利用狹義相對論和量子場理論分析峰值可以確定磁層的密度和場強。

結(jié)合物理技術(shù)

該過程結(jié)合了高能物理，凝聚態(tài)物理和等離子體物理技術(shù)。在高能物理學(xué)中，研究人員使用量子場論來描述少數(shù)粒子的相互作用。在凝聚態(tài)物理中，人們使用量子力學(xué)來描述大量粒子的狀態(tài)。等離子體物理學(xué)使用模型方程來解釋數(shù)百萬個粒子的集體運動。新方法利用所有三種技術(shù)的方面來分析脈沖星中的等離子體波。

可以使用相同的技術(shù)來推斷等離子體的密度和慣性約束聚變實驗產(chǎn)生的磁場強度。這些實驗使用激光來燒蝕或蒸發(fā)含有等離子體燃料的靶。然后消融引起內(nèi)爆，將燃料壓縮成等離子體并產(chǎn)生聚變反應(yīng)。

標(biāo)準(zhǔn)公式給出了不一致的答案

研究人員希望了解該過程產(chǎn)生的等離子體的精確密度，溫度和場強。當(dāng)使用不同顏色的激光測量等離子體參數(shù)時，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)公式給出不一致的答案。Shi說，這是因為等離子體的極端密度會產(chǎn)生量子效應(yīng)，而磁場的高能量密度會產(chǎn)生相對論效應(yīng)。因此需要利用這兩個領(lǐng)域的配方來協(xié)調(diào)結(jié)果。

對于Shi來說，這項新技術(shù)展示了結(jié)合不經(jīng)?；拥奈锢韺W(xué)科的好處。他說：“把田地放在一起給了我們巨大的力量來解釋我們以前無法理解的事情。”