量子理论和爱因斯坦的狭义相对论应用于等离子体物理问题

等离子体物理学中有趣的问题包括围绕X射线脉冲星的那些 - 坍缩的恒星绕宇宙伴星运行，并以规则的间隔发出光束，就像天空中的灯塔一样。物理学家想知道围绕这些脉冲星的磁场强度和等离子体密度，这可能是太阳等恒星中等离子体密度的数百万倍。

美国能源部(DOE)普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的研究人员已经开发出等离子体波理论，可以比标准方法更详细地推断出这些特性。这项新研究通过将爱因斯坦的相对论与量子力学相结合来分析脉冲星周围的等离子体，量子力学描述了亚原子粒子的运动，如原子核 - 或离子 - 和等离子体中的电子。美国能源部科学办公室支持这项工作。

关键的见解来自量子场理论，它描述了相对论的带电粒子，意味着它们以接近光速的速度传播。“量子理论可以描述等离子体中波传播的某些细节，”普林斯顿等离子体物理项目的研究生袁石说，他是7月29日发表在物理评论杂志上的一篇论文的主要作者。然后，了解传播背后的相互作用可以揭示等离子体的组成。

Shi在共同作者Nat Fisch，普林斯顿大学等离子体物理学项目主任和天体物理学副教授，以及PPPL的物理学家和核科学学院的执行院长洪勤的帮助下开发了这篇论文。中国科学技术大学的技术。“当我计算出数学时，他们向我展示了如何应用它，”施说。

在脉冲星中，磁层中的相对论粒子，围绕身体的磁化大气吸收光波，这种吸收在黑体背景下显示出峰值。“问题是，这些峰值意味着什么?” 施问道。他发现，利用狭义相对论和量子场理论分析峰值可以确定磁层的密度和场强。

结合物理技术

该过程结合了高能物理，凝聚态物理和等离子体物理技术。在高能物理学中，研究人员使用量子场论来描述少数粒子的相互作用。在凝聚态物理中，人们使用量子力学来描述大量粒子的状态。等离子体物理学使用模型方程来解释数百万个粒子的集体运动。新方法利用所有三种技术的方面来分析脉冲星中的等离子体波。

可以使用相同的技术来推断等离子体的密度和惯性约束聚变实验产生的磁场强度。这些实验使用激光来烧蚀或蒸发含有等离子体燃料的靶。然后消融引起内爆，将燃料压缩成等离子体并产生聚变反应。

标准公式给出了不一致的答案

研究人员希望了解该过程产生的等离子体的精确密度，温度和场强。当使用不同颜色的激光测量等离子体参数时，标准数学公式给出不一致的答案。Shi说，这是因为等离子体的极端密度会产生量子效应，而磁场的高能量密度会产生相对论效应。因此需要利用这两个领域的配方来协调结果。

对于Shi来说，这项新技术展示了结合不经常互动的物理学科的好处。他说：“把田地放在一起给了我们巨大的力量来解释我们以前无法理解的事情。”