由微觀物理學(xué)支配的宏觀現(xiàn)象

在外空同時獲取微觀和宏觀信息是困難的。遙遠(yuǎn)天體物理現(xiàn)象的全球圖像提供了宏觀信息;但是，無法訪問本地信息。與此相反，利用航天器進行的現(xiàn)場觀測提供了地球磁層等現(xiàn)象的微觀信息，但在近空間難以獲得全局信息。

所謂的“實驗室天體物理學(xué)”是大阪大學(xué)誕生的一個相對較新的領(lǐng)域，在世界各地被采用和發(fā)展，空間和天體物理現(xiàn)象被實驗研究。大阪大學(xué)由倉上康弘領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組利用大阪大學(xué)激光工程研究所的Gekko XII激光設(shè)備，首次在激光產(chǎn)生的等離子體中發(fā)現(xiàn)了由電子動力學(xué)驅(qū)動的磁重聯(lián)。磁重聯(lián)是宇宙中的一個重要因素，在宇宙中，磁場的反平行分量以等離子體動能的形式重新連接并釋放磁能。在磁重聯(lián)觸發(fā)過程中，電子動力學(xué)被認(rèn)為是必不可少的;然而，在外空觀測電子尺度、微觀信息和宏觀重連結(jié)構(gòu)一直是一項極具挑戰(zhàn)性的工作。

研究小組對激光產(chǎn)生的等離子體施加弱磁場，使只有電子與磁場直接耦合。等離子體準(zhǔn)直只在磁場作用下進行，即，磁場受等離子體壓力和局部反平行的影響而發(fā)生畸變。進一步用環(huán)境等離子體施加外部壓力，通過等離子體發(fā)射成像觀察到具有尖端特征的等離子體。等離子體以電子質(zhì)量定義的Alfven速度傳播，表明電子動力學(xué)驅(qū)動的磁性重連接。

這項研究的結(jié)果將有助于闡明電子在實驗室等離子體中的作用。由于電子的時空尺度遠(yuǎn)小于離子的時空尺度，在對現(xiàn)象的整體結(jié)構(gòu)成像時，解決電子尺度現(xiàn)象具有很大的挑戰(zhàn)性。在外層空間也是如此，因為很難同時獲得微觀和宏觀信息。在這項研究中，磁場的強度被控制到只允許電子與磁場結(jié)合。這是實驗室實驗的一個獨特而強大的特點，因此，實驗室天體物理學(xué)可以作為研究空間和天體物理現(xiàn)象的替代工具。電子動力學(xué)的作用不僅對磁重聯(lián)至關(guān)重要，而且對宇宙和實驗室中的各種現(xiàn)象也至關(guān)重要，包括聚變等離子體。對宇宙的更多了解將導(dǎo)致未來的新技術(shù)。