太阳是一个巨大的能量源，表面活动频繁，如太阳耀斑和日冕物质抛射，这些现象能对地球造成影响。2003年的"万圣节太阳风暴"就是一个例子，显示了太阳活动的强大破坏力。太阳表面的能量释放，并非简单的化学反应，而是与磁场活动紧密相关，特别是磁重联现象，这是一种将磁能快速转化为其他形式能量的过程。磁重联不仅在太阳上发生，也在地球和人造核聚变反应中观察到，对它的研究有助于我们更好地理解太阳活动，并可能推动能源和航天技术的发展。
磁重联概念及发展
磁重联是一种在天体物理学中极为重要的能量释放机制，它涉及到磁能向其他形式能量的快速转化。在实验室层面，我们可以参考王水院士在《磁场重联》一书中的定义来进一步理解这一现象：
所谓磁场重联，是指具有有限电导率的磁等离子体中，电流片中的磁力线自发或被迫断开和重新连接的过程，伴有磁能的突然释放并转化为等离子体的动能和热能，引起带电粒子的加速和加热。
这个概念可能听起来有些抽象，但让我们通过一个简单的比喻来进一步解释。想象一下，带电粒子通常围绕磁力线进行圆周运动。当两团带有不同方向磁场的等离子体相互靠近时，在它们磁场相交的区域，会出现一个电流密集的区域，我们称之为电流片。
电流片的形成为磁能的释放提供了条件。如果这个区域存在一定的电阻率，那么等离子体中的能量就可以通过电流片进行耗散和释放。这个过程就像是在等离子体中打开了一个能量释放的阀门，使得原本储存在磁场中的能量迅速转化为粒子的动能和热能，从而引发一系列剧烈的物理现象。
通俗一点（看图说话），磁重联就是由两组方向相反的磁力线相互靠近断开后又重新连接的物理过程，同时伴随着大量磁能的快速释放。
NASA制作的磁重联动态示意图，摘自星环聚能
磁重联发展历程
-最早由澳大利亚物理学家Ronald Giovanelli在1946年提出磁重联这一概念，目的是为了解释太阳耀斑现象。他提出，当两条方向相反且相互靠近的磁力线在某个点"相遇"时，会发生磁重联现象，释放出光能，从而为观测到的太阳耀斑中的强辐射提供了一种解释。
-在1958年，Sweet和Parker基于对太阳耀斑活动的观测资料，提出了第一个稳态磁场重联模型，即Sweet-Parker重联模型。该模型旨在解释磁能如何转化为等离子体的动能和热能。然而，Sweet-Parker模型存在一个明显的局限性：磁能的转化速度过慢，与实际观测到的天体和空间物理中的许多爆发过程的速度不匹配，这限制了它在解释这些现象方面的有效性。
Sweet-Parker 模型示意图，摘自星环聚能
-1958年，Dungey将磁重联概念应用于地球磁层顶的动态研究，建立了首个开放磁层模型。随着地球磁层顶准静态磁重联的直接证据被发现，磁重联的概念开始被广泛接受，并被用来解释空间等离子体中的爆发现象和能量转化过程。
磁重联的分类也越来越细化，包括：①根据重联原因分为驱动重联和自发重联；②根据磁场形态的不同，分为稳态重联和非稳态（瞬时）重联；③根据重联率的大小，分为快速重联和慢速重联；④根据等离子体的碰撞特性，分为碰撞重联和无碰撞重联。
-1964年，Petschek对Sweet-Parker模型进行了关键性的改进，他引入了磁流体力学波和慢流体激波的物理机制，这显著提升了磁能的转化和释放速率，被我们现在称为"快速重联"的现象。与此同时，Sweet-Parker模型描述的磁能转化较慢的现象则被称为"慢速重联"。
Petschek 模型示意图，摘自星环聚能
-20世纪70年代，磁重联的地面实验开始兴起。磁重联研究对于理解和模拟相关物理过程至关重要，因此成为研究人员关注的焦点。美国普林斯顿等离子体物理国家实验室的MRX装置，建于20世纪90年代，是最早进行磁重联地面试验研究的成熟装置之一。此外，麻省理工学院的VTF装置和威斯康星大学的TREX装置等也取得了显著的研究进展。
-近年来，随着高功率激光设施的发展，基于激光-等离子体相互作用的磁重联研究受到越来越多的关注。英国卢瑟福阿普尔顿实验室的Vulcan拍瓦激光器是首个用于国际等离子体物理学界的用户装置。2010年和2011年，张杰院士团队利用神光Ⅱ激光装置成功模拟了太阳耀斑环顶X射线源和磁重联喷流，并观察到磁重联中电子扩散区的细致结构。同时，研究人员也进行了基于激光-等离子体相互作用背景下磁重联的理论和数值模拟研究。
-21世纪，为了更深入地理解太阳大气和磁场的结构，探索磁场能量的释放过程和能量输运机制，各国发射了多颗空间卫星观测太阳，取得了重大进展，特别是发现了磁重联加热日冕的观测证据。这些研究成果为我们提供了对太阳活动更深刻的理解。
磁重联加热及应用
20世纪30年代，人们在日全食期间观测到日冕的温度异常高，达到了百万度级别，远超过光球层大约5770度的温度。这一现象与热力学第二定律似乎相悖，因为根据该定律，日冕的温度理应低于光球层。这个谜题被称为日冕加热问题，是太阳物理和空间物理学中长期未解的难题之一。
日全食景象，摘自星环聚能
日冕的高温是如何产生和维持的？普遍认为，日冕的加热能量来自于太阳大气中的磁场和对流层中的流体运动。在能量如何从太阳内部传递到日冕，以及如何转化为日冕带电粒子的动能这一问题上，科学家们提出了两种主要模型：阿尔文波/湍流模型和磁重联/纳耀斑模型，两种模型都有一定的观测证据支持。
2018年，中国科学院紫金山天文台的研究人员，包括李东博士和李乐平副研究员，在太阳大气的多个层次中首次观测到了小尺度磁重联过程，这为理解小尺度磁重联如何加热日冕提供了重要证据。
小尺度磁重联事件的触发和加热日冕示意图，摘自星环聚能
2019年，北京大学地球与空间科学学院的田晖教授和Tanmoy Samanta等人在《科学》杂志上发表了关于日冕加热的新成果，为磁重联加热日冕的理论提供了迄今为止最有力的支持。
尽管磁重联加热机制的详细过程尚未完全清晰，但其潜在的应用前景已经非常广泛。除了在天体物理学领域的研究外，磁重联现象在探索"终极能源"和"星际遨游"等领域也显示出巨大的潜力，未来可能在这些领域发挥关键作用。
可控核聚变
在实验室中模拟磁重联现象相对简单：只需将两个偶极磁铁靠近，当它们相对移动时，它们的磁力线会自然重新连接，形成零点。大约三四十年前，科学家们就开始尝试将磁重联技术应用于聚变装置。
1990年，英国建成了全球首个球形托卡马克装置START。1991年，START装置通过磁重联方法实现了两个等离子体环的快速合并，这种超快速的磁重联过程能有效将磁能转化为等离子体动能，并产生大量热能。MAST装置及其升级版也采用了这一技术。
Helion公司和英国托卡马克能源公司的ST-40装置也利用了磁重联机制，尽管技术细节尚未公开。国内私营聚变企业星环聚能基于SUNIST上的磁重联研究，提出了一种聚变技术方案，通过磁重联加热机制将两个等离子体环压缩合并，实现磁能向等离子体的快速高效转化。该方案简化了等离子体加热过程，降低了技术复杂性和经济成本。
星环聚能等离子体融合示意图，摘自星环聚能
磁重联的新型火箭推进器
2020年，美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室的Fatima Ebrahimi提出了一种基于磁重联的新型火箭推进器概念。计算机模拟显示，这种推进器的速度可能是现有电力推进系统的10倍。
与传统化学火箭相比，磁重联推进器可以显著缩短长距离太空旅行的时间。推进器通过调整磁场实现节流控制，并且能够喷射出等离子体团以增加推力。此外，由于不依赖重元素作为推进剂，这种推进器可以使用更轻、更经济的气体。
Ebrahimi指出，其他推进器需要使用氙气等重气体，而磁重联推进器可以使用任何类型的气体，这为太空探索提供了更多可能性。