光，无处不在，它既是字面上的光明，也是比喻中的希望。它扫除阴霾，传递信息，揭示宇宙深处的星系和微小的细菌。在全球科学家的努力下，光还能助力托卡马克装置中的等离子体加热，为实现清洁能源的聚变反应贡献力量。
5月23日，普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL)发布最新消息-关于光子的新发现或将提升聚变等离子体加热效率。
光子的拓扑性质与偏振
科学家在光子的研究中取得了新突破，这项研究可能推动核聚变能源的发展。通过数学计算，研究人员发现光子具有一种不会因环境变化而改变的基本属性——拓扑性质。
这种拓扑性质表现为光子的偏振，即电场沿光子运动方向（向左或向右）。物理定律规定了极化的光子在空间中的传播方向，并限制其扩散，因此单一极化的光束不能完全覆盖给定的空间。这些发现凸显了普林斯顿等离子体物理实验室在理论物理和聚变研究方面的领先地位。
美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室的首席研究物理学家秦宏表示，“更深入地理解光子的基本性质，有助于科学家设计出更有效的光束，用于等离子体的加热和测量。”相关研究成果已经发表在《物理评论 D》上。
复杂问题简单化
PPPL研究团队通过研究单个光子，实际上是在攻克一个更大的难题：如何利用强光束激发等离子体中的持久扰动，以维持聚变所需的高温。
所谓拓扑波，常见于两种不同区域的交界处，比如托卡马克装置中等离子体与真空的边缘。这类波动并不罕见，它们自然存在于地球大气中，它对北美和南美气候中厄尔尼诺现象的形成起到了关键作用。要在等离子体中产生这类波动，科学家需要对光的射频波有更深入的理解。理解越深，控制的可能性越大。
秦宏说：“我们正尝试为聚变寻找类似的波动。它们不易被阻挡，若能在等离子体中创造出来，就能提高加热效率，帮助创造聚变条件。”这有点像敲钟，用锤子敲击，使钟体以特定方式振动发出声音。科学家们希望用光“击打”等离子体，使其以特定方式“摆动”产生持续的热量。
简化问题在科学中是常见做法。普林斯顿等离子体物理项目的研究生埃里克·帕尔默杜卡说：“学习弹奏钢琴曲目时，你不会从一开始就全速弹奏整首曲子。你会先慢速练习，分部分练习，甚至可能一只手一只手地学。我们在科学中也是这样做的，将大问题分解为小问题，逐个解决，然后再整合起来解决大问题。”
光子的旋转运动
PPPL的科学家们发现，光子的旋转动作包括自旋和轨道运动，这两者实际上是不可分割的。"大多数科学家认为光的角动量可以分解为自旋和轨道角动量，"帕尔默杜卡指出。"但我们的研究表明，光子的自旋和轨道角动量实际上是不可分割的，这与其偏振等拓扑性质有关。"
这一发现对实验研究具有重要意义。"这些结果意味着我们需要对我们实验中的现象提供更深入的理论解释，"帕尔默杜卡说。
理论物理的洞见
帕尔默杜卡强调，光子的新特性彰显了PPPL在理论物理领域的专长。他们的最新发现与数学中的毛球定理息息相关。这个定理告诉我们，如果一个球体表面覆盖着毛发，你不可能完全抚平所有毛发而不在某处形成凸起。物理学家曾据此认为，不可能存在一个光源，能同时向四周均匀发光。但帕尔默杜卡和秦宏的研究表明，这种理解是有误的，因为毛球定理并没有考虑到光子的电场可以旋转。
此外，他们的研究还对20世纪著名理论物理学家尤金·维格纳的工作进行了重要修正。维格纳曾利用爱因斯坦的相对论原理，提出了一种描述宇宙中所有可能基本粒子的方法。他的分类方法帮助科学家们理解了粒子的内在属性，如自旋、宇称、电荷等。但他的分类方法只适用于有质量的粒子，对于光子这类无质量粒子则不够准确。帕尔默杜卡表示，他和秦宏通过拓扑学的方法，改进了维格纳的分类，为光子提供了一种全新的描述，这种描述适用于所有方向。
用更通俗的话来说，帕尔默杜卡和秦宏的研究就像是在光子的神秘世界中找到了更准确的理论框架。他们发现，光子的行为并不像我们之前理解的那样简单，而是有着自己独特的规律。通过这个框架，科学家们可以更深入地探索光子的性质，进而更好地利用光子来推动物理学和相关技术的发展。
对未来的更清晰认识
未来，秦宏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，同时避免产生吸走热量的无益波动。“我们希望能够深入了解那些可能意外产生的有害拓扑波，目的是为了将来能够将它们有效地排除掉。”秦宏说。“在这种意义上，拓扑波就像新发现的昆虫种类。有些对花园有益，有些则是害虫。”
同时，他们对目前的发现感到兴奋。“我们对光子有了更清晰的理论理解，这可能有助于激发拓扑波，”秦宏说。“是时候开始制造设备了，这样我们就能利用它们来进一步挖掘聚变能源的潜力。”
秦宏教授简介：
秦宏（Hong Qin）是普林斯顿大学（Princeton University）及其附属普林斯顿等离子体物理实验室（Princeton Plasma Physics Laboratory, PPPL）的杰出教授和研究人员。
人物经历：
-1990年 北京大学，空间物理，学士；
-1993年，北京大学，空间物理，硕士；
-1997年，普林斯顿大学，天体物理科学，等离子体物理学硕士；
-1998年 美国普林斯顿大学，天体物理学（等离子体物理），博士；
-1998–2007 普林斯顿等离子体物理国家实验室，博士后、助理研究员、研究员；
-2005 中科院等离子体物理研究所，客座教授（兼）；
-2005 美国重离子聚变国家联合实验室，理论部副主任（兼）；
-2007 普林斯顿等离子体物理国家实验室 主任研究员（兼）；
-2010 北京大学核科学技术研究院核能中心，主任（兼）；-2010 中国科学技术大学近代物理系教授；-2014-2017 他担任中国科学技术大学核科学与技术学院执行院长；-2010-2018 同时担任中国科学院磁聚变理论中心主任；
-2018-缺失
研究方向：
-等离子体物理理论和计算
-高强度光束集体动力学的理论与仿真
-等离子体加热和电流驱动的旋动力学理论与模拟
-等离子体物理和光束物理中的几何理论和算法
荣誉奖项：
-2004年，美国总统青年科学家工程师早期成就奖和 美国能源部青年科学家工程师早期成就奖；
-2014年， 美国物理学会会士；
参考链接：
- https://theory.pppl.gov/people/profile.php?pid=18&n=Hong-Qin
- https://www.pppl.gov/news/2024/new-discoveries-about-nature-light-could-improve-methods-heating-fusion-plasma
- https://wulixb.iphy.ac.cn/article/doi/10.7498/aps.68.20191437