这就是真实的工程系统。
江临把电力系统的多通道结构图挂在研究史地图旁边。
于是他有了两张图。
一张是磁重联领域六十年的研究史。
一张是前哨站电力系统的工程结构。
它们一边是等离子体天体物理,一边是低端电气工程,看起来风马牛不相及,但在多通道耦合这件事上,两者说的是同一件事。
第二十六年深冬。
风雪肆虐,江临在石屋这个坚固的堡垒里面,开始尝试把前哨站电力系统的多通道思维,应用到磁重联上。
第一个尝试是,如果磁重联也是一个多通道系统,那它有几个通道?
每个通道对应着什么具体的等离子体物理过程?
每个通道的特征尺度是什么?
通道之间到底是如何耦合的?
他在工作站里建了一个新文件夹。
【lti-channel-Frawork(多通道框架)】
文件夹里,目前只有一个可怜的文本。
【draft_v1.txt】
文件的第一行是——【磁重联的多通道分解尝试 V1】
往下,他庖丁解牛一般,一一列出候选的通道。
【通道一:大尺度d供能通道】
特征:庞大的磁能从外部大尺度系统(如太阳日冕、地球磁尾),像水库放水一样,源源不断地输入到重联区域。
特征尺度:系统宏观尺度L。
对应理论模型:Sweet-parker的大尺度部分。
【通道二:中尺度plasid层裂通道】
特征:当d通道输送的能量让长电流片不堪重负时,电流片自身发生撕裂失稳,碎裂成一长串被称为磁岛的结构。
特征尺度:电流片长度的某个分数。
对应理论模型:Loureiro (2007) 的链式不稳定性、bhattacharjee (2009) 的快重联机制。
【通道三:小尺度hall转捩通道】
特征:在极微小的尺度下,沉重的离子跟不上轻盈电子的步伐,两者在磁场中退耦,产生了强烈的霍尔电场,改变了重联区的几何拓扑。
特征尺度:离子惯性长度d_i。
对应理论模型:GE战赛确认的机制、burch (2016) S探测器的实测。
【通道四:跨尺度湍流通道】
特征:磁场本身的无序湍流,像一锅沸腾的热水,让大量微小尺度的重联事件在整个空间内随机且同时发生,极大增加了耗散。
特征尺度:从宏观能量注入尺度,一直到微观能量耗散尺度的整个惯性级联区间。
对应理论模型:Lazarian-Vishniac(1999)的随机湍流重联模型。
【通道五:边界封闭通道】
特征:在人造或特定的封闭几何(如托卡马克装置的环形室)中,磁场被容器强制保持某种拓扑约束,重联只能在特定的共振面上发生。
特征尺度:边界容器的特征尺度。
对应理论模型:托卡马克装置内的撕裂模。
【通道六:多回路集体响应通道】
特征:多个闭合的人造或天然导体回路相互嵌套,在极端电磁扰动下,像一个庞大的Lc振荡网络一样,产生集体响应和磁化烙印。
特征尺度:整个导电网络的宏观尺度(可能覆盖整个行星地表)。
对应理论模型:尚无。
最后一行,带着一个刺眼的问号。
江临在【draft_v1】的下方,又补充了一行字。
“六个通道,前五个,都有现存的成熟理论可以支撑。第六个,是变电站的废墟用剩磁给我的残酷提示,但在人类的理论物理上,这依然是一片令人窒息的空白。”
写完保存,关掉编辑器,江临揉了揉发酸的眉心。
框架是搭起来了,但也仅仅是万里长征的第一步。
第二十七年,春。
冰雪消融,苔藓焕发生机。
江临却陷入了试图把这六个通道之间的耦合关系说清楚的泥潭。
每两个通道之间的耦合,他都尝试在草纸上画一张小图。
这些图不是简单的连线,蕴含着严格逻辑因果的物理流程图。
他分析通道一(d)和通道二(plasid)的耦合,大尺度d把磁能输入,拉长电流片。
当电流片长宽比超过临界值,失稳发生,plasid产生。
这是一对一,非常经典的串行耦合。
他分析通道一(d)和通道三(hall)的耦合,
大尺度的d流体运动,绝不会直接驱动微观的hall效应。
hall效应只在离子惯性长度这种极小尺度上才会自发点燃。
但大尺度d却握有生杀大权。
它决定了hall效应有没有机会出现。
如果大尺度挤压出的电流片太短太厚,hall尺度还没来得及形成,整个系统就已经在电阻耗散中退化为了缓慢的Sweet-parker重联。
这是阴险的间接的条件性耦合。
……
画到最后,只剩下通道六——多回路集体响应。
江临拿着笔,悬在半空中很久,迟迟无法落笔。
这一个通道,他画不出任何耦合图。
他不知道庞大的人造地表网络,该怎么和等离子体内部的微观hall效应耦合?
他甚至无法在数学上证明它是否真的作为重联的一个主导变量而存在。
叹了口气,他在图纸上把通道六这一栏画了一个巨大的虚线框,空着,留给未来那个可能更聪明的自己,或者留给下一次更危险的远征。
第二十七年的整个春天,江临都在画这些耦合图。
随着图越画越多,他意识到,文字的描述是苍白的。
如果不能用数学语言把这些耦合关系钉死,那他所做的就只是一堆玄学。
每一组耦合关系,他都开始尝试用一组无量纲数来表征其物理阈值。
通道一和通道二的耦合阈值,由电流片的长宽比决定。
通道一和通道三的耦合阈值,由电流片长度与离子惯性长度的比值决定。
通道二和通道三的耦合阈值,由plasid尺寸与离子惯性长度的比值决定。
通道四的贯穿强度,由等离子体的湍流强度决定。
通道五的封闭程度,由边界条件的开放/封闭比决定。
通道六,依然是令人挫败的未知。
每一个无量纲数,都对应着一个清晰的物理直觉。
每一个直觉,都是江临从过去十年的文献和工程经验里提炼出来的。
他深知,自己并没有发明这里面的任何一个无量纲数。
L/d_i在bhattacharjee的论文里写得明明白白,湍流马赫数在Lazarian的公式里随处可见。
它们都在浩如烟海的文献里。
但是,把它们像搭乐高积木一样,精准地咬合在一起,组合成一个完整的,能够描述整个等离子体系统多通道状态的网络,这件事,在人类已知的学术文献里,没有看到任何一篇论文做过。
最接近这个伟大构想的,是cassak在2006年发表的一篇着名综述。
在那篇综述里,cassak提出了一个令物理学界着迷的0.1重联率问题。
即为什么在太阳耀斑,地球磁尾,甚至是实验室里,那些被定义为快速重联的系统,无论底层的物理机制是hall效应还是plasid,其无量纲重联率数值,总是神秘地落在0.1左右这个量级?
cassak讨论了这种神奇的收敛,但他那篇文章并没有给江临想要的多通道网络框架。
不过,它给了江临一个极大的启发。
不同尺度不同机制的背后,必定存在某种更高维度的,共同的速率选择约束。
就像万川归海。
江临站起身,在北墙上那张密密麻麻的研究史地图上,郑重地把cassak这篇2006年的论文位置用红笔圈了出来。
第二十七年的夏天,气温飙升,废土进入了一年中最酷热难熬的季节。
而江临,则在犹如蒸笼般的石屋里,开始尝试做一件在理论物理学界极具野心也极其危险的事。
他想用一个数字,仅仅是一个无量纲数。
去刻画整个复杂的多通道系统,从缓慢的电阻主导,瞬间转向狂暴的快速重联主导的临界几何条件。
这个数,必须是六个通道(或者是已知的五个通道)耦合关系的精妙组合。
它不应该是任何单一已有的旧无量纲数,否则就是多此一举。
在物理学史上,坐在黑板前拍脑门发明一个新的无量纲数很容易,随便找几个参数乘乘除除就行了。
但要发明一个有深刻物理意义的,能够真正预测未知真实物理现象的新无量纲数,难如登天。
纵观历史,绝大多数由野心勃勃的学者自创的无量纲数,最后在经过同行的无情审查后都会被发现,要么只是已有某个数的简单代数变形,毫无新意。
要么就是个数学游戏,无法在实验中对应任何可测量的物理现象。
江临提醒自己,先尝试,再审讯。
如果尝试失败,毫不犹豫地承认失败,绝不迷恋自己的造物。
如果
江临把电力系统的多通道结构图挂在研究史地图旁边。
于是他有了两张图。
一张是磁重联领域六十年的研究史。
一张是前哨站电力系统的工程结构。
它们一边是等离子体天体物理,一边是低端电气工程,看起来风马牛不相及,但在多通道耦合这件事上,两者说的是同一件事。
第二十六年深冬。
风雪肆虐,江临在石屋这个坚固的堡垒里面,开始尝试把前哨站电力系统的多通道思维,应用到磁重联上。
第一个尝试是,如果磁重联也是一个多通道系统,那它有几个通道?
每个通道对应着什么具体的等离子体物理过程?
每个通道的特征尺度是什么?
通道之间到底是如何耦合的?
他在工作站里建了一个新文件夹。
【lti-channel-Frawork(多通道框架)】
文件夹里,目前只有一个可怜的文本。
【draft_v1.txt】
文件的第一行是——【磁重联的多通道分解尝试 V1】
往下,他庖丁解牛一般,一一列出候选的通道。
【通道一:大尺度d供能通道】
特征:庞大的磁能从外部大尺度系统(如太阳日冕、地球磁尾),像水库放水一样,源源不断地输入到重联区域。
特征尺度:系统宏观尺度L。
对应理论模型:Sweet-parker的大尺度部分。
【通道二:中尺度plasid层裂通道】
特征:当d通道输送的能量让长电流片不堪重负时,电流片自身发生撕裂失稳,碎裂成一长串被称为磁岛的结构。
特征尺度:电流片长度的某个分数。
对应理论模型:Loureiro (2007) 的链式不稳定性、bhattacharjee (2009) 的快重联机制。
【通道三:小尺度hall转捩通道】
特征:在极微小的尺度下,沉重的离子跟不上轻盈电子的步伐,两者在磁场中退耦,产生了强烈的霍尔电场,改变了重联区的几何拓扑。
特征尺度:离子惯性长度d_i。
对应理论模型:GE战赛确认的机制、burch (2016) S探测器的实测。
【通道四:跨尺度湍流通道】
特征:磁场本身的无序湍流,像一锅沸腾的热水,让大量微小尺度的重联事件在整个空间内随机且同时发生,极大增加了耗散。
特征尺度:从宏观能量注入尺度,一直到微观能量耗散尺度的整个惯性级联区间。
对应理论模型:Lazarian-Vishniac(1999)的随机湍流重联模型。
【通道五:边界封闭通道】
特征:在人造或特定的封闭几何(如托卡马克装置的环形室)中,磁场被容器强制保持某种拓扑约束,重联只能在特定的共振面上发生。
特征尺度:边界容器的特征尺度。
对应理论模型:托卡马克装置内的撕裂模。
【通道六:多回路集体响应通道】
特征:多个闭合的人造或天然导体回路相互嵌套,在极端电磁扰动下,像一个庞大的Lc振荡网络一样,产生集体响应和磁化烙印。
特征尺度:整个导电网络的宏观尺度(可能覆盖整个行星地表)。
对应理论模型:尚无。
最后一行,带着一个刺眼的问号。
江临在【draft_v1】的下方,又补充了一行字。
“六个通道,前五个,都有现存的成熟理论可以支撑。第六个,是变电站的废墟用剩磁给我的残酷提示,但在人类的理论物理上,这依然是一片令人窒息的空白。”
写完保存,关掉编辑器,江临揉了揉发酸的眉心。
框架是搭起来了,但也仅仅是万里长征的第一步。
第二十七年,春。
冰雪消融,苔藓焕发生机。
江临却陷入了试图把这六个通道之间的耦合关系说清楚的泥潭。
每两个通道之间的耦合,他都尝试在草纸上画一张小图。
这些图不是简单的连线,蕴含着严格逻辑因果的物理流程图。
他分析通道一(d)和通道二(plasid)的耦合,大尺度d把磁能输入,拉长电流片。
当电流片长宽比超过临界值,失稳发生,plasid产生。
这是一对一,非常经典的串行耦合。
他分析通道一(d)和通道三(hall)的耦合,
大尺度的d流体运动,绝不会直接驱动微观的hall效应。
hall效应只在离子惯性长度这种极小尺度上才会自发点燃。
但大尺度d却握有生杀大权。
它决定了hall效应有没有机会出现。
如果大尺度挤压出的电流片太短太厚,hall尺度还没来得及形成,整个系统就已经在电阻耗散中退化为了缓慢的Sweet-parker重联。
这是阴险的间接的条件性耦合。
……
画到最后,只剩下通道六——多回路集体响应。
江临拿着笔,悬在半空中很久,迟迟无法落笔。
这一个通道,他画不出任何耦合图。
他不知道庞大的人造地表网络,该怎么和等离子体内部的微观hall效应耦合?
他甚至无法在数学上证明它是否真的作为重联的一个主导变量而存在。
叹了口气,他在图纸上把通道六这一栏画了一个巨大的虚线框,空着,留给未来那个可能更聪明的自己,或者留给下一次更危险的远征。
第二十七年的整个春天,江临都在画这些耦合图。
随着图越画越多,他意识到,文字的描述是苍白的。
如果不能用数学语言把这些耦合关系钉死,那他所做的就只是一堆玄学。
每一组耦合关系,他都开始尝试用一组无量纲数来表征其物理阈值。
通道一和通道二的耦合阈值,由电流片的长宽比决定。
通道一和通道三的耦合阈值,由电流片长度与离子惯性长度的比值决定。
通道二和通道三的耦合阈值,由plasid尺寸与离子惯性长度的比值决定。
通道四的贯穿强度,由等离子体的湍流强度决定。
通道五的封闭程度,由边界条件的开放/封闭比决定。
通道六,依然是令人挫败的未知。
每一个无量纲数,都对应着一个清晰的物理直觉。
每一个直觉,都是江临从过去十年的文献和工程经验里提炼出来的。
他深知,自己并没有发明这里面的任何一个无量纲数。
L/d_i在bhattacharjee的论文里写得明明白白,湍流马赫数在Lazarian的公式里随处可见。
它们都在浩如烟海的文献里。
但是,把它们像搭乐高积木一样,精准地咬合在一起,组合成一个完整的,能够描述整个等离子体系统多通道状态的网络,这件事,在人类已知的学术文献里,没有看到任何一篇论文做过。
最接近这个伟大构想的,是cassak在2006年发表的一篇着名综述。
在那篇综述里,cassak提出了一个令物理学界着迷的0.1重联率问题。
即为什么在太阳耀斑,地球磁尾,甚至是实验室里,那些被定义为快速重联的系统,无论底层的物理机制是hall效应还是plasid,其无量纲重联率数值,总是神秘地落在0.1左右这个量级?
cassak讨论了这种神奇的收敛,但他那篇文章并没有给江临想要的多通道网络框架。
不过,它给了江临一个极大的启发。
不同尺度不同机制的背后,必定存在某种更高维度的,共同的速率选择约束。
就像万川归海。
江临站起身,在北墙上那张密密麻麻的研究史地图上,郑重地把cassak这篇2006年的论文位置用红笔圈了出来。
第二十七年的夏天,气温飙升,废土进入了一年中最酷热难熬的季节。
而江临,则在犹如蒸笼般的石屋里,开始尝试做一件在理论物理学界极具野心也极其危险的事。
他想用一个数字,仅仅是一个无量纲数。
去刻画整个复杂的多通道系统,从缓慢的电阻主导,瞬间转向狂暴的快速重联主导的临界几何条件。
这个数,必须是六个通道(或者是已知的五个通道)耦合关系的精妙组合。
它不应该是任何单一已有的旧无量纲数,否则就是多此一举。
在物理学史上,坐在黑板前拍脑门发明一个新的无量纲数很容易,随便找几个参数乘乘除除就行了。
但要发明一个有深刻物理意义的,能够真正预测未知真实物理现象的新无量纲数,难如登天。
纵观历史,绝大多数由野心勃勃的学者自创的无量纲数,最后在经过同行的无情审查后都会被发现,要么只是已有某个数的简单代数变形,毫无新意。
要么就是个数学游戏,无法在实验中对应任何可测量的物理现象。
江临提醒自己,先尝试,再审讯。
如果尝试失败,毫不犹豫地承认失败,绝不迷恋自己的造物。
如果