被超新星氣泡包裹的脈沖星。（? ESA）

宇宙之中有許多現(xiàn)象是我們無法完全解釋，比如黑洞、爆炸的恒星以及旋轉(zhuǎn)的恒星殘骸等等等等。

為了更好的理解這些稀奇古怪的現(xiàn)象，科學(xué)家往往需要不斷地推進(jìn)科學(xué)的邊界、科技的極限以及把一些看起來完全不相關(guān)的物理領(lǐng)域聯(lián)姻成一個更加強(qiáng)大的理論。

普林斯頓大學(xué)的等離子體物理實(shí)驗(yàn)室（PPPL）的研究人員最近提出了一個新的方法來探索宇宙中最極端的環(huán)境，他們將物理學(xué)的三個分支合并在一起：高能物理學(xué)（描述以近光速傳播的帶電粒子），量子力學(xué)（描述亞原子粒子的運(yùn)動），以及愛因斯坦的狹義相對論（描述以高速傳播的物質(zhì)和光）。以前并沒有人這么嘗試過，其最大的原因是大多數(shù)的科學(xué)家都不愿跨界研究去了解別的領(lǐng)域的進(jìn)展，因此不同領(lǐng)域之間也就不能夠產(chǎn)生更多的有效溝通。

而這個新理論就能夠允許科學(xué)家更好的研究神秘的星體——脈沖星。除此外，該理論更大的潛力是探究在地球上建造核聚變發(fā)電站的可能性。

宇宙中的燈塔

脈沖星，一個雙星系統(tǒng)。（? NASA）

當(dāng)一個大質(zhì)量恒星在演化晚期最終在自身引力的作用下坍縮，并在一場超新星爆發(fā)中結(jié)束自己的生命時(shí)，爆發(fā)過后殘留下來的是一顆致密的內(nèi)核，由于壓力過大，內(nèi)核物質(zhì)中的電子被擠壓并和質(zhì)子相結(jié)合形成中子，這就是所謂的中子星。

如果中子星被磁化，強(qiáng)大的磁場會加速帶電粒子，并以束流的方式向宇宙中高速噴射。當(dāng)中子星高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，它兩端的兩束噴流就好像是宇宙中的燈塔信號一樣，并且極具周期性。因此，科學(xué)家都把這樣的天體稱作脈沖星。

科學(xué)家想要知道磁場的強(qiáng)度，以及圍繞著脈沖星周圍等離子體（由電子和離子組成的熾熱云）的密度。脈沖星的等離子密度可以比像太陽之類的恒星的高出幾百萬倍。而其磁場也要比地球的磁場強(qiáng)出數(shù)十億倍。

科學(xué)家利用望遠(yuǎn)鏡來觀測這些星體的奇異行為。其中一個方法就是通過分析來自它們的光譜。在磁氣圈（圍繞著著脈沖星被磁化的大氣層）四處亂蹦的粒子可以吸收光波，因此在光譜上會看到吸收峰。但問題是，如何正確的理解這些吸收峰？通過狹義相對論和高能物理，研究人員可以找出這些吸收的原因以及計(jì)算出磁氣圈中的密度和場強(qiáng)。

在研究的過程中，科學(xué)家需要用到高能物理、凝聚態(tài)物理和等離子體物理的技巧。在高能物理中，科學(xué)家利用量子場論來描述粒子間的相互作用。在凝聚態(tài)物理中，科學(xué)家使用量子力學(xué)來描述粒子的狀態(tài)。而等離子體物理則解釋了上百萬粒子集體運(yùn)動。新的方法使科學(xué)家能夠研究脈沖星的許多細(xì)節(jié)。通過理解粒子傳播背后的相互作用，他們能夠知道等離子體的成分。

為核聚變發(fā)電提供可能

一個新理論最令人驚奇的地方往往是發(fā)現(xiàn)它在我們生活之中能夠有所應(yīng)用，而這個新理論就能夠幫助我們進(jìn)一步的理解核聚變——通過將輕原子聚變在一起產(chǎn)生能量。太陽以及其它恒星之所以能夠產(chǎn)生巨大的能量都是因?yàn)樵谄浜诵恼诎l(fā)生的核聚變。

一個世紀(jì)以來，科學(xué)家都在嘗試如何把核聚變應(yīng)用在能源的問題上。通過在地球上重新建構(gòu)，這相當(dāng)于在地球上安置一顆人造恒星，它能夠提供無限的清潔以及可再生能源。徹底解決地球上的能源問題！

在聚變的實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家模擬在中子星上的環(huán)境將物體擠壓至極高的密度。這會產(chǎn)生非常強(qiáng)的磁場，比普通的磁鐵要強(qiáng)出幾百萬倍。當(dāng)科學(xué)家里這樣的目標(biāo)越來越近的時(shí)候，他們發(fā)現(xiàn)了一些奇怪并且無法解釋的現(xiàn)象。而這需要物理學(xué)上的三個分支結(jié)合起來才能夠理解。

新的方法可以用來找出由慣性約束聚變實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的等離子體密度和磁場強(qiáng)度，該實(shí)驗(yàn)通過利用激光來汽化一個包含等離子體燃料的靶丸。這些等離子體通過向心爆聚被壓縮到高溫、高密度狀態(tài)，從而發(fā)生核聚變反應(yīng)。

研究人員向知道在這個過程中產(chǎn)生的等離子體的正確密度、溫度和場強(qiáng)。用單獨(dú)的物理理論計(jì)算的答案會相互不吻合。這是因?yàn)榈入x子體會產(chǎn)生量子效應(yīng)，磁場強(qiáng)度會產(chǎn)生相對論效應(yīng)。而這個理論的優(yōu)勢就在于將三個不同的物理世界結(jié)合到一起。

最令人興奮的是在不同的物理分支上架構(gòu)一道橋梁而形成一個新的理論，新的理論在解釋真實(shí)世界中通常更具威力，它能夠解釋在一些極端的環(huán)境下任何單一的分支都無法解釋的現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)：

【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