光，无论从字面上还是从形象上来说，都充斥着我们的世界。它能消除黑暗，传递跨越大陆的电信信号，揭示从遥远星系到微小细菌等看不见的事物。光还可以帮助加热被称为托卡马克的环形装置内的等离子体，科学家们正努力利用核聚变过程来生产绿色电力。新的研究表明，光子的偏振在不同环境中保持不变，这有可能改进等离子体加热方法，促进核聚变能源的发展。

最近，普林斯顿等离子体物理实验室的研究人员发现，光子的基本特性之一--极化是拓扑性的，这意味着即使光子在各种材料和环境中转换，它也保持不变。这些发现发表在《物理评论 D》上，可能会带来更有效的等离子体加热技术和核聚变研究的进步。

偏振是电场在光子周围移动时的方向--向左或向右。根据基本物理定律，光子的偏振决定了它的传播方向，并限制了它的传播路径。因此，仅由具有单一偏振类型的光子组成的光束无法传播到特定空间的每一部分。

这项研究的共同作者、美国能源部（DOE）PPPL首席研究物理学家Hong Qin说："对光子的基本性质有了更准确的了解，科学家们就能设计出更好的光束，用于加热和测量等离子体。"

光子（构成光的粒子）扰动等离子体的艺术家概念图。资料来源：Kyle Palmer / PPPL 通讯部

简化复杂问题

对光子的研究是解决一个更大、更难的问题的手段--如何利用强光束激发等离子体中的持久扰动，从而帮助维持核聚变所需的高温。

这些扰动被称为拓扑波，通常发生在两个不同区域的边界，比如等离子体和托卡马克外缘的真空。它们并不特别奇特--它们自然出现在地球大气中，帮助产生厄尔尼诺现象，这是太平洋中暖水的聚集，会影响北美和南美的天气。要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。

Qin说："我们正试图为核聚变寻找类似的波。它们不容易被阻止，因此如果我们能在等离子体中产生它们，就能提高等离子体加热的效率，帮助创造核聚变的条件。这项技术类似于敲钟。就像用锤子敲钟会使金属移动从而产生声音一样，科学家们希望用光敲击等离子体，使它以某种方式摆动，从而产生持续的热量。"

揭示光子运动的本质

除了发现光子的偏振是拓扑性的，科学家们还发现光子的旋转运动无法分为内部和外部两个部分。联想到地球：它既自转产生昼夜，又绕太阳运行产生四季。这两种运动通常互不影响，例如，地球绕地轴的自转并不取决于它绕太阳的公转。事实上，所有有质量的物体的转动运动都可以这样分开。

然而，对于像光子这样没有质量的粒子来说，这种情况是否属实还不清楚。论文第一作者、普林斯顿大学等离子体物理学项目研究生埃里克-帕尔默杜卡（Eric Palmerduca）说："大多数实验人员都认为，光的角动量可以分成自旋角动量和轨道角动量。然而，理论家们一直在争论进行这种拆分的正确方法，或者是否有可能进行这种拆分。我们的工作有助于解决这一争论，表明光子的角动量无法被拆分成自旋和轨道成分。"

此外，Palmerduca 和 Qin 还确定，由于光子的拓扑特性、不变特性（如偏振），这两个运动分量无法拆分。这一新奇发现对实验室产生了影响。帕尔默杜卡说："这些结果意味着，我们需要更好的理论来解释实验中发生的事情。"

这些发现提供了对光的行为的见解，进一步推动了研究人员为核聚变研究创造拓扑波的目标。

对理论物理学的启示

帕尔默杜卡指出，光子的发现证明了 PPPL 在理论物理学方面的优势。这些发现与一个被称为毛球定理的数学结果有关。"该定理指出，如果你有一个布满毛发的球，你不可能把所有的毛发都梳平，物理学家认为这意味着不可能有一个光源同时向所有方向发送光子，"帕尔默杜卡说。然而，他和秦发现这是不正确的，因为该定理在数学上没有考虑到光子电场可以旋转。

帕尔默杜卡称尤金-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，利用从阿尔伯特-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，甚至是那些尚未被发现的粒子。但是，虽然他的分类系统对有质量的粒子是准确的，但对无质量的粒子（如光子）却产生了不准确的结果。"Qin和我证明，利用拓扑学，我们可以修改维格纳对无质量微粒的分类，给出一个同时适用于所有方向的光子描述。"

未来方向

在未来的研究中，Qin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，而不制造无益的品种来抽走热量："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移除。从这个意义上说，拓扑波就像新品种的昆虫，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。"我们对有助于激发拓扑波的光子有了更清晰的理论认识，"Qin说。"现在是时候建造一些东西了，这样我们就可以利用它们来寻求聚变能。"

编译自/scitechdaily