锚点111
科学家运用格点QCD对中子星展开探秘，测定出超高声速与压力极限，揭示了核物质状态方程，对旧模型发起挑战，为这个宇宙中最为致密的天体带来了突破性的理解。
中子星，堪称宇宙中最为硬核的存在之一，始终撩拨着人们无尽的好奇心。它是大质量恒星经超新星爆发后残留的核心，直径不过10公里，比珠穆朗玛峰高不了多少，但其密度却比原子核高出数倍。物理学家对这种极端的天体钟爱有加，因为它能将理论逼至绝境，要么验证猜想，要么彻底推翻重来，从而催生出全新的科学火花。近期，研究者们祭出格点量子色动力学（LQCD）这把“计算钥匙”，成功撬开了中子星内部的神秘角落，不但算出了压力和声速的极限，还对核物质的状态方程有了全新的认识。这一成果登上了《物理评论快报》，令人眼前一亮，仿若探险者闯入了无人之境。
中子星可不是好对付的。其密度高得惊人，离地球最近的也有400光年，在望远镜里仅仅能看到一个小点。地球实验室想要仿制？根本不可能——它的密度是水的千万亿倍，常规手段根本无从下手。理论计算也颇为棘手，普通数学和电脑技术在这儿完全派不上用场。不过研究团队另辟蹊径，凭借粒子理论和模拟闯出了一条路。领头的是麻省理工学院理论物理中心的Ryan Abbott，他和同事采用了一种名为格点QCD的方法，将空间时间划分成小格子，交由超级计算机计算格点上的相互作用。虽说在中子星这般密度下运用这一招也困难重重，但他们还是摸索到了新的约束条件，发现声速上限高得离谱，甚至可能使中子星的质量潜力更大。
具体是如何操作的呢？他们首先针对不同的LQCD数据集计算压力，还推导出了连续极限下的物理质量结果。可供对比的参照物众多，比如自由费米气体的Stefan – Boltzmann极限，以及不考虑配对或夸克质量的次次领头阶微扰QCD（pQCD）。当同位旋化学势超过1500 MeV时，压力分布开始显现，就如同为中子星内部勾勒出了一幅粗略的地图。更为厉害的是，他们盯上了声速这一关键指标。声速平方值随同位旋化学势跳动，红色的格点QCD曲线、橙色的pQCD曲线、蓝色的手征微扰理论（χPT）曲线，最终汇聚成灰色的GP模型。这并非枯燥的数字堆砌，而是理论之间的碰撞与融合。结果发现，声速上限竟然冲破了“共形极限”（光速的1/√3），最高可达3/4光速，虽说存在一定的不确定性，但已然足够震撼，简直让人不禁怀疑老模型是否过于保守了。
这背后，QCD是一块难啃的硬骨头。它掌管着强相互作用，涉及质子、中子、夸克和胶子，可偏偏“非线性”得厉害。胶子自身带有“色荷”，不像电磁力中的光子那样呈中性，计算起来让人头疼不已。更奇特的是，它还具有“渐进自由”：距离近时力小到几乎可以忽略不计，距离远了反而变强，与其他力的特性完全相反。这一特性使得常规微扰理论失效，那一招通过拆分成无限级数只计算前几项，但在QCD的全能量范围内并不适用。Abbott团队转而采用格点QCD，投入了几百万GPU小时的计算量，还修正了离散格子的误差，从而获得了首次在同位旋核物质上的“连续极限”。
为了深入高密度区域，他们还玩了一个巧妙的简化：用“同位旋”作为标尺。质子和中子的同位旋值相反（+1/2和 – 1/2），宛如一个粒子的两种状态。研究发现，任何密度核物质的压力都比具有同位旋密度的低。抓住这一点，他们耗费了几千小时的GPU算力，动用多台超级计算机，硬是一步步逼近真相。例如，他们对比了pQCD公式里的BCS间隙和格点QCD与pQCD的差值，橙色曲线在不同尺度上波动，红色曲线带有连续极限的光环，误差阴影层层叠加，仿佛给结果加上了双重保险。
中子星的状态方程在这场探索中也呈现出了新貌。它就如同水的相图，由QCD描绘而成。团队运用GP模型推导出对称核物质的边界，红色的排除区域表明了哪些状态根本不符合QCD。他们还拉来一些老牌模型进行对比，比如DBHF、DD、D3C这些听起来像密码的名字，实际上都是核物质研究领域的老面孔。结果发现，有些模型在高密度情况下站不住脚，而格点方法却能稳稳地给出答案。最终，他们得到了零温下任意同位旋化学势的稠密物质状态方程，这无疑是一个实实在在的新突破。
这一成果如同向湖中投入了一块石头，涟漪不断扩散。未来，或许能够计算中子星的导电性、粘度，甚至与天文观测相对接。中子星不再仅仅是夜空中的一个小点，而是成为了物理学的新战场。一个直径10公里的小球，藏着宇宙中最为致密的秘密，等待着更多好奇的目光去解开，这难道不比科幻片更令人兴奋吗？
图1：研究计算了不同LQCD(格点量子色动力学)组态下的压力，并提取了连续极限和物理质量的结果。此外，还给出了自由费米气体在Stefan – Boltzmann极限下的结果，以及不考虑配对或夸克质量效应的NNLO pQCD计算结果。这些数据展示了在高同位旋化学势(μI≳1500 MeV)下的物理特性。
图2：分析了BCS能隙的pQCD公式，并与LQCD计算的连续极限和NNLO pQCD结果的差异进行对比。图像中，橙色曲线表示不同尺度下的pQCD计算(Λ¯=μI×{0.5,1.0,2.0})，红色曲线则为LQCD计算的外推结果。内层阴影区域代表LQCD计算的不确定性，而外层阴影则结合了NNLO pQCD的不确定性，展现了计算中的误差范围。
图3：研究了声速平方随同位旋化学势的变化情况。LQCD(红色)、pQCD(橙色)和χPT(蓝色)的计算结果被整合到GP模型(灰色)中，以获得更完整的描述。对比显示，这些计算方式在不同范围内的趋势有所不同，而虚线代表了共形极限，提供了参考标准。
图4：基于GP模型，研究了对称核物质状态方程(EOS)的约束条件。红色带状区域标示了不符合QCD约束的区域，并结合了GP模型的不确定性。此外，还列出了因果性约束及多种现象学EOS，包括DBHF、DD、D3C、DD – F、KVOR、KVR、NLρ、NLρδ等，以及χEFT + FRG插值计算的结果。研究表明，在高同位旋密度下，核物质的行为可能受到更严格的QCD限制。
本文译自phys.org，由BALI编辑发布。
