摘要：中子星除了密度巨大之外，还带来了其他挑战。它们的体积很小，无法用望远镜进行目视研究，因为它们看起来只不过是一个点。（距离地球最近的中子星距离地球 400 光年。）

中子星是宇宙中最致密的物体之一。它们是一颗坍缩成超新星的巨星的核心，半径通常为 10 公里（略大于珠穆朗玛峰的高度），其密度可能是原子核的几倍。

物理学家喜欢这样的极端物体，因为它们要求他们将他们的理论延伸到新的领域，看看它们是否得到证实或者是否会被推翻，这需要新的思维和新的科学。

研究人员首次利用格子量子色动力学研究中子星内部，获得了恒星内部声速的新的最大界限，并更好地了解了那里的压力、温度和其他特性之间的关系。

他们的研究成果发表在《物理评论快报》上。

中子星除了密度巨大之外，还带来了其他挑战。它们的体积很小，无法用望远镜进行目视研究，因为它们看起来只不过是一个点。（距离地球最近的中子星距离地球 400 光年。）

地球上的实验室无法形成密度与水相当的块状材料，密度约为水的千万亿倍，尺寸也相近。即使从理论上研究它们也很困难，因为相关方程无法用标准数学或计算技术求解。

这种新方法利用粒子理论和模拟，确定了中子星内部新的严格约束。特别是，已经确定了最大声速——极高但确定——并且此类恒星的质量可能比之前认为的更大。

与任何物质一样，中子星具有状态方程，或者更准确地说，具有相图，就像水一样。

中子星的特性由量子色动力学（QCD）决定，该理论是关于质子和中子、夸克和胶子相互作用的强力理论。

但是，量子色动力学使得计算粒子相互作用变得极其困难，因为传递力的玻色子，也就是胶子，本身就带有“色”电荷，也就是强力粒子的主要量子数。这就像光子，也就是传递电磁力的玻色子，带有电荷一样。（事实上，光子是电中性的。）

因此，QCD 被称为“非线性”理论。QCD 还具有渐进自由的特殊性质——力很小，在很短的距离内基本上会消失，就像在质子内部一样，但随着距离的增加，力会变大，这与其他三种力正好相反。

当耦合很大时，量子场论学家无法使用他们的标准、完善的数学技术，即微扰理论，该理论涉及将计算分解为无穷级数（例如基本微积分中熟悉的泰勒级数）并仅计算其中一个或几个前项。

微扰理论在电磁学中很有效，因为电磁耦合常数 alpha ~ 1/137 的连续幂会快速变小。但这不会发生在 QCD 的整个能谱中。

因此，麻省理工学院理论物理中心的主要作者 Ryan Abbott 和他的同事转向了一种成熟的替代方案——格子 QCD。

粒子相互作用发生的空间和时间被划分为离散网格，计算机只计算这些网格点上的相互作用动态。即便是这种技术在密度较高的中子星上也存在问题。

但另一种简化是可能的：使用同位旋，即质子和中子具有相反值的另一个量子数，分别为 +1/2 或 -1/2（这个想法是质子和中子可以被视为同一粒子的同位旋态，但具有相反的同位旋）。

同位旋的量子力学数学与量子力学和量子电动力学中普通粒子自旋的数学非常相似。众所周知，任何密度的核物质的压力都小于非零同位旋密度的核物质的压力。

利用这一压力极限，该团队能够“深入”中子星的高密度区域并获得严格的结果。为此，该团队简化了中子星的完整数学描述，然后运行了大量的格点 QCD 模型，耗时“几千个 GPU 小时”，将工作分散到几台超级计算机上。

计算的许多部分之前已由其他研究人员完成；Abbott 估计，整个问题需要超级计算机上的“数百万个 GPU 小时”。为了校正在离散时空网格上模拟的同位旋核物质，他们能够获得小晶格间距消失的“连续极限”，这是以前从未在同位旋核物质中实现过的。

他们得到了零温度下任意同位旋化学势（增加或减少系统粒子数时的能量变化）的同位旋致密物质的状态方程，这是首次提出的结果。

根据共形场理论，之前有人认为中子星中的声音以压缩波的形式传播，在强相互作用的 QCD 物质中最大速度为 c/√3，其中 c 是光速。但 Abbott 和他的团队发现，声音的速度超过了这个数字——虽然不确定，但实际上更高，峰值为 ¾ c。

Abbott 及其同事的研究结果为进一步计算中子星物质打开了一扇窗户。我们或许可以进行更精细的计算，例如电导率和粘度，也许有一天能够解释天文观测，甚至预测它们。

来源：科学图书馆