Исследователи из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США (DOE) разработали теорию плазменных волн, которая позволяет вывести эти свойства более подробно, чем при использовании стандартных подходов. Новое исследование анализирует плазму, окружающую пульсар, путем объединения теории относительности Эйнштейна с квантовой механикой, которая описывает движение субатомных частиц, таких как атомные ядра или ионы, и электроны в плазме.
Эту работу поддерживает Управление науки Министерства энергетики США.Квантовая теория поляКлючевое открытие приходит из квантовой теории поля, которая описывает заряженные частицы, которые являются релятивистскими, что означает, что они движутся со скоростью, близкой к скорости света. «Квантовая теория может описывать некоторые детали распространения волн в плазме», — сказал Юань Ши, аспирант Принстонской программы по физике плазмы и ведущий автор статьи, опубликованной 29 июля в журнале Physical Review A. Понимание взаимодействий, лежащих в основе затем распространение может выявить состав плазмы.
Ши разработал статью при содействии соавторов Ната Фиша, директора Программы физики плазмы и профессора и доцента астрофизических наук в Принстонском университете, и Хун Цинь, физика PPPL и исполнительного декана Школы ядерных наук и Технологии в Университете науки и технологий Китая. «Когда я разрабатывал математику, они показали мне, как ее применять», — сказал Ши.В пульсарах релятивистские частицы в магнитосфере, намагниченной атмосфере, окружающей тело, поглощают световые волны, и это поглощение проявляет пики на фоне черного тела. «Вопрос в том, что означают эти пики?» — спрашивает Ши. Он обнаружил, что анализ пиков с помощью уравнений специальной теории относительности и квантовой теории поля может определять плотность и напряженность поля магнитосферы.
Объединение физических методовЭтот процесс сочетает в себе методы физики высоких энергий, физики конденсированного состояния и физики плазмы.
В физике высоких энергий исследователи используют квантовую теорию поля для описания взаимодействия горстки частиц. В физике конденсированного состояния люди используют квантовую механику для описания состояний большого набора частиц. Физика плазмы использует уравнения модели для объяснения коллективного движения миллионов частиц.
Новый метод использует аспекты всех трех методов для анализа плазменных волн в пульсарах.Тот же метод можно использовать для определения плотности плазмы и напряженности магнитного поля, созданного в экспериментах по термоядерному синтезу с инерционным удержанием. В таких экспериментах используются лазеры для абляции или испарения мишени, содержащей плазменное топливо.
Затем абляция вызывает взрыв, который сжимает топливо в плазму и вызывает реакции термоядерного синтеза.Стандартные формулы дают противоречивые ответы
Исследователи хотят знать точную плотность, температуру и напряженность поля плазмы, создаваемой этим процессом. Стандартные математические формулы дают противоречивые ответы при использовании лазеров разного цвета для измерения параметров плазмы. Это потому, что чрезвычайная плотность плазмы вызывает квантовые эффекты, в то время как высокая плотность энергии магнитного поля вызывает релятивистские эффекты, говорит Ши.
Поэтому для согласования результатов необходимы формулировки, использующие оба поля.Для Ши новая техника показывает преимущества объединения физических дисциплин, которые не часто взаимодействуют между собой.
Он говорит: «Объединение полей дает огромную силу для объяснения вещей, которые мы не могли понять раньше».