关于光的本质的新发现可以改进加热聚变等离子体的方法

无论是从字面意义还是象征意义上讲，光都遍布世界。它驱散黑暗，在各大洲之间传递电信信号，使从遥远星系到最小细菌的无形事物变得可见。光还可以帮助加热环形装置(称为托卡马克)内的等离子体，世界各地的科学家都在努力利用核聚变过程来产生绿色电力。

现在，科学家们发现了光子这种轻粒子，这可能有助于寻找聚变能。通过进行一系列数学计算，研究人员发现光子的基本属性之一是拓扑属性，这意味着即使光子在不同的材料和环境中移动，拓扑属性也不会改变。

这种特性就是极化，即电场在光子周围移动时所采取的方向(左或右)。根据基本物理定律，光子的极化有助于确定光子的传播方向并限制其运动。因此，仅由一种极化类型的光子组成的光束无法传播到给定空间的每个部分。这些发现证明了普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)在理论物理和聚变研究方面的优势。

美国能源部(DOE)PPPL首席研究物理学家、《物理评论D》杂志上报告该结果的论文共同作者洪琴说：“更准确地了解光子的基本性质可以帮助科学家设计出更好的光束来加热和测量等离子体。”

简化复杂问题

尽管研究人员研究的是单个光子，但他们这样做是为了解决一个更大、更困难的问题——如何利用强光束激发等离子体中的长期扰动，以帮助维持聚变所需的高温。

这些波动被称为拓扑波，通常出现在两个不同区域的边界上，例如托卡马克外缘的等离子体和真空。它们并不特别奇特——它们自然出现在地球大气层中，并有助于形成厄尔尼诺现象，即太平洋暖水聚集，影响北美和南美的天气。

为了在等离子体中产生这些波，科学家必须对光有更深入的了解——具体来说，就是微波炉中使用的那种射频波——物理学家已经用它来加热等离子体了。了解越多，控制的可能性就越大。

“我们正在尝试寻找类似的波用于聚变，”秦说。“它们不容易被阻止，所以如果我们能在等离子体中创造它们，我们就能提高等离子体加热的效率，并帮助创造聚变的条件。”

这项技术类似于敲响铃铛。就像用锤子敲击铃铛会导致金属发生移动从而产生声音一样，科学家们希望用光照射等离子体，使其以某种方式摆动以产生持续的热量。

通过简化问题来解决问题在科学界随处可见。“如果你正在学习弹奏一首钢琴曲，你不会一开始就试图全速弹奏整首曲子，”埃里克·帕尔默杜卡(EricPalmerduca)说道，他是普林斯顿等离子体物理项目的研究生，该项目位于普林斯顿等离子体物理实验室，也是这篇论文的主要作者。

“你开始以较慢的节奏演奏;把它分成小部分;也许你单独学习每一手。我们在科学中一直这样做——将大问题分解成小问题，一次解决一两个问题，然后将它们重新组合在一起以解决大问题。”

转，转，转

除了发现光子的偏振具有拓扑性之外，科学家们还发现光子的旋转运动不能分为内部和外部成分。想想地球：它既绕地轴旋转，产生白天和黑夜，又绕太阳公转，产生季节。

这两种运动通常不会相互影响;例如，地球绕地轴的自转不依赖于它绕太阳的公转。事实上，所有有质量的物体的旋转运动都可以用这种方式分开。但科学家们对光子等没有质量的粒子却不那么确定。

“大多数实验者认为光的角动量可以分解为自旋和轨道角动量，”帕尔默杜卡说。“然而，在理论界，长期以来一直存在着对这种分解的正确方法或是否有可能进行这种分解的争论。我们的工作有助于解决这一争论，表明光子的角动量不能分解为自旋和轨道分量。”

此外，帕尔默杜卡和秦还确定，由于光子的拓扑、不变特性(如偏振)，两个运动分量无法分离。这一新发现对实验室具有重要意义。“这些结果意味着我们需要对实验中发生的事情进行更好的理论解释，”帕尔默杜卡说。

所有这些关于光子的发现都让研究人员更清楚地了解了光的行为方式。通过对光束的深入了解，他们希望弄清楚如何创建拓扑波，这可能有助于聚变研究。

理论物理学的见解

帕尔默杜卡指出，光子发现证明了PPPL在理论物理方面的优势。该发现与一项名为“毛球定理”的数学结果有关。

“该定理指出，如果你有一个长满毛发的球，你就无法将所有毛发梳理平整，否则球上的某个地方就会出现旋毛。物理学家认为，这意味着你不可能有一个光源同时向所有方向发射光子，”帕尔默杜卡说。

然而，他和秦发现这并不正确，因为该定理从数学上没有考虑到光子电场可以旋转。

这一发现也修正了前普林斯顿大学物理学教授尤金·维格纳的研究成果。帕尔默杜卡称维格纳是20世纪最重要的理论物理学家之一。维格纳意识到，利用阿尔伯特·爱因斯坦相对论中得出的原理，他可以描述宇宙中所有可能的基本粒子，甚至那些尚未被发现的粒子。

但是，尽管他的分类系统对于有质量的粒子来说是准确的，但对于无质量的粒子(如光子)来说，它会产生不准确的结果。“秦和我利用拓扑学证明了，”帕尔默杜卡说，“我们可以修改维格纳对无质量粒子的分类，给出一种同时在所有方向上起作用的光子描述。”

对未来有更清晰的认识

在未来的研究中，秦和帕尔默杜卡计划探索如何创造有益的拓扑波来加热等离子体，而不会产生吸走热量的无用品种。

“一些有害的拓扑波可能会在无意中被激发，我们希望了解它们，以便将它们从系统中去除，”秦说。“从这个意义上讲，拓扑波就像新品种的昆虫。有些对花园有益，有些则是害虫。”

与此同时，他们对目前的发现感到兴奋。“我们对可能有助于激发拓扑波的光子有了更清晰的理论理解，”秦说。“现在是时候建造一些东西，这样我们就可以利用它们来寻求聚变能量了。”