科学家用格点QCD探秘中子星，测出超高声速与压力极限，揭示核物质状态方程，挑战旧模型，为宇宙最密天体带来突破性理解。

中子星，宇宙中最硬核的存在之一，总是勾起人们无尽的好奇。它是大质量恒星超新星爆发后的残核，直径不过10公里，比珠穆朗玛峰高不了多少，却有着比原子核高几倍的密度。物理学家爱极了这种极端玩意儿，因为它能把理论逼到悬崖边，要么验证猜想，要么推倒重来，催生全新的科学火花。最近，研究者们祭出格点量子色动力学(LQCD)这把“计算钥匙”，硬是撬开了中子星内部的神秘一角，不仅算出了压力和声速的极限，还对核物质的状态方程有了新认识。这成果登上《物理评论快报》，让人眼前一亮，仿佛探险者闯进了无人之地。

中子星可不是好惹的家伙。密度高得吓人，离地球最近的也有400光年，望远镜里只能瞅见一个小点。地球实验室想仿造？门都没有——它密度是水的千万亿倍，常规手段根本摸不着边。理论计算也头疼，普通数学和电脑技术在这儿完全抓瞎。可研究团队不走寻常路，带着粒子理论和模拟杀出一条血路。领头的是MIT理论物理中心的Ryan Abbott，他和同事用了一种叫格点QCD的招数，把空间时间切成小格子，交给超级计算机算格点上的互动。虽然在中子星这种密度下连这招都费劲，但他们硬是摸到了新约束，发现声速上限高得离谱，甚至可能让中子星的质量潜力更大。

具体怎么干的？他们先针对不同LQCD数据集算压力，还推出了连续极限下的物理质量结果。对比参照物不少，比如自由费米气体的Stefan-Boltzmann极限，还有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，压力分布开始显形，像给中子星内部勾勒了张粗略地图。更厉害的是，他们盯上了声速这关键指标。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，最后汇成灰色的GP模型。这可不是枯燥的数字堆砌，而是理论间的碰撞与融合。结果发现，声速上限居然冲破了“共形极限”(光速的1/√3)，最高能到3/4光速，虽然有点不确定，但够震撼，简直让人怀疑老模型是不是太保守了。

这背后，QCD是个硬骨头。它管着强相互作用，涉及质子、中子、夸克和胶子，可偏偏“非线性”得要命。胶子自己带“色荷”，不像电磁力的光子那样中性，算起来让人头大。更怪的是，它还有“渐进自由”：距离近时力小得几乎没有，远了反而变强，跟其他力完全反着来。这特性让常规微扰理论没戏，那招靠拆成无限级数只算前几项，但在QCD全能量范围里行不通。Abbott团队就转用格点QCD，拼上几百万GPU小时，还修正了离散格子的误差，拿到了首次在同位旋核物质上的“连续极限”。

为了钻进高密度区，他们还玩了个巧妙简化：用“同位旋”当尺子。质子和中子同位旋值相反(+1/2和-1/2)，像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有同位旋密度的低。抓住这点，他们跑了几千小时GPU算力，动用多台超算，硬生生逼近真相。比如，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晃荡，红色曲线带着连续极限的光环，误差阴影层层叠加，像是给结果裹上双重保险。

中子星的状态方程也在这场探索中露出新脸。它就像水的相图，由QCD勾画。团队用GP模型推导出对称核物质的边界，红色的排除区告诉你，哪些状态压根儿不符QCD。他们还拉来老牌模型PK，比如DBHF、DD、D3C这些听起来像密码的名字，其实是核物质研究的老熟人。结果发现，有些模型在高密度下站不住脚，而格点方法却稳稳给出答案。最终，他们拿到了零温下任意同位旋化学势的稠密物质状态方程，实打实的新突破。

这成果像扔了块石头进湖里，涟漪越扩越大。未来，或许能算算中子星的导电性、粘度，甚至跟天文观测对上号。中子星不再只是夜空里的小点，而是物理学的新战场。一个10公里宽的小球，藏着宇宙最密的秘密，等着更多好奇的目光去解锁，这不比科幻片还带劲？

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。