更进一步，物理学三个分支的联姻

被超新星气泡包裹的脉冲星。（© ESA）

宇宙之中有许多现象是我们无法完全解释，比如黑洞、爆炸的恒星以及旋转的恒星残骸等等等等。

为了更好的理解这些稀奇古怪的现象，科学家往往需要不断地推进科学的边界、科技的极限以及把一些看起来完全不相关的物理领域联姻成一个更加强大的理论。

普林斯顿大学的等离子体物理实验室（PPPL）的研究人员最近提出了一个新的方法来探索宇宙中最极端的环境，他们将物理学的三个分支合并在一起：高能物理学（描述以近光速传播的带电粒子），量子力学（描述亚原子粒子的运动），以及爱因斯坦的狭义相对论（描述以高速传播的物质和光）。以前并没有人这么尝试过，其最大的原因是大多数的科学家都不愿跨界研究去了解别的领域的进展，因此不同领域之间也就不能够产生更多的有效沟通。

而这个新理论就能够允许科学家更好的研究神秘的星体——脉冲星。除此外，该理论更大的潜力是探究在地球上建造核聚变发电站的可能性。

宇宙中的灯塔

脉冲星，一个双星系统。（© NASA）

当一个大质量恒星在演化晚期最终在自身引力的作用下坍缩，并在一场超新星爆发中结束自己的生命时，爆发过后残留下来的是一颗致密的内核，由于压力过大，内核物质中的电子被挤压并和质子相结合形成中子，这就是所谓的中子星。

如果中子星被磁化，强大的磁场会加速带电粒子，并以束流的方式向宇宙中高速喷射。当中子星高速旋转时，它两端的两束喷流就好像是宇宙中的灯塔信号一样，并且极具周期性。因此，科学家都把这样的天体称作脉冲星。

科学家想要知道磁场的强度，以及围绕着脉冲星周围等离子体（由电子和离子组成的炽热云）的密度。脉冲星的等离子密度可以比像太阳之类的恒星的高出几百万倍。而其磁场也要比地球的磁场强出数十亿倍。

科学家利用望远镜来观测这些星体的奇异行为。其中一个方法就是通过分析来自它们的光谱。在磁气圈（围绕着着脉冲星被磁化的大气层）四处乱蹦的粒子可以吸收光波，因此在光谱上会看到吸收峰。但问题是，如何正确的理解这些吸收峰？通过狭义相对论和高能物理，研究人员可以找出这些吸收的原因以及计算出磁气圈中的密度和场强。

在研究的过程中，科学家需要用到高能物理、凝聚态物理和等离子体物理的技巧。在高能物理中，科学家利用量子场论来描述粒子间的相互作用。在凝聚态物理中，科学家使用量子力学来描述粒子的状态。而等离子体物理则解释了上百万粒子集体运动。新的方法使科学家能够研究脉冲星的许多细节。通过理解粒子传播背后的相互作用，他们能够知道等离子体的成分。

为核聚变发电提供可能

一个新理论最令人惊奇的地方往往是发现它在我们生活之中能够有所应用，而这个新理论就能够帮助我们进一步的理解核聚变——通过将轻原子聚变在一起产生能量。太阳以及其它恒星之所以能够产生巨大的能量都是因为在其核心正在发生的核聚变。

一个世纪以来，科学家都在尝试如何把核聚变应用在能源的问题上。通过在地球上重新建构，这相当于在地球上安置一颗人造恒星，它能够提供无限的清洁以及可再生能源。彻底解决地球上的能源问题！

在聚变的实验中，科学家模拟在中子星上的环境将物体挤压至极高的密度。这会产生非常强的磁场，比普通的磁铁要强出几百万倍。当科学家里这样的目标越来越近的时候，他们发现了一些奇怪并且无法解释的现象。而这需要物理学上的三个分支结合起来才能够理解。

新的方法可以用来找出由惯性约束聚变实验产生的等离子体密度和磁场强度，该实验通过利用激光来汽化一个包含等离子体燃料的靶丸。这些等离子体通过向心爆聚被压缩到高温、高密度状态，从而发生核聚变反应。

研究人员向知道在这个过程中产生的等离子体的正确密度、温度和场强。用单独的物理理论计算的答案会相互不吻合。这是因为等离子体会产生量子效应，磁场强度会产生相对论效应。而这个理论的优势就在于将三个不同的物理世界结合到一起。

最令人兴奋的是在不同的物理分支上架构一道桥梁而形成一个新的理论，新的理论在解释真实世界中通常更具威力，它能够解释在一些极端的环境下任何单一的分支都无法解释的现象。

参考文献：

【1】Yuan Shi, Nathaniel J. Fisch, and Hong Qin Effective-action approach to wave propagation in scalar QED plasmas, Phys. Rev. A 94, 012124 – Published 29 July 2016. DOI: 10.1103/PhysRevA.94.012124 

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