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Landau的理论物理教程中,专门有一本《连续介质电动力学》。加州大学的
这些观点,都是强调把等离子体作为连续介质来研究。
对于开始学习等离子体物理的年轻人来说,最头痛的是等离子体中名目繁多、花样百出的各种modes。这些modes,有的是运动模式——本征模(eigenmodes)或者简正模(normal modes),有的是不稳定性(如扭曲模、交换模、撕裂模、快粒子模),有的是装置的运行参数区间或者运行方式(如H模、L模);有的同波动性质联系在一起(如Alfvén本征模、测地声模),有的同几何性质联系在一起(如环形Alfvén本征模、螺旋模),有的同物理参数联系在一起(如壁模),有的同扰动形状联系在一起(如腊肠模、气泡模、凹槽模),等等。而这些模式引起的波的传播、截止、与共振,不稳定性及湍流,以及输运与耗散过程等,更是不胜枚举。初学者很容易被这些令人眼花缭乱的名称和概念搞得昏头转向。
物理学的特点,应该是简单、明了、完整。比如一个最小作用量原理(或Hamiltonian)就可以涵盖物理学的基础;一个各态历经假设,就可以搭起平衡态统计力学的架构。所以,看上去杂乱无章的物理,是理论发展不成熟的表现。
因此,笔者认为,把等离子体作为连续介质来研究,是梳理等离子体物理理论脉络的关键点之一。
这个想法可以这样来归纳:
1. 非均匀介质是一种continuum。这种continuum中的本征模式的谱是连续的。等离子体就是一种典型的continuum。
2. 在低频参数区,磁化等离子体可以看成具有连续的Alfvén本征模谱的Alfvén continuum。因此,Alfvén本征模在等离子体中会受到“连续谱阻尼”(continuous spectrum damping)衰减效应。
3. 不同连续谱分支能级简并,会引起这些分支的耦合和“能隙”以及“能隙”间分立谱本征模(discrete eigenmodes)的形成。
4. 同时,这些连续谱本身(尽管存在“连续谱阻尼”)可以响应外界的驱动(这个过程可以看成阻尼谐振子的受迫振荡),激发如“快粒子模”(energetic particle modes,EPM;比如fishbone modes)这样的不稳定振荡;以及GAM或者zonal flows这样的长波结构。
(笔者会继续详细逐点讨论。)
这些思想还只是对低频区物理现象的一种解读。对于离子回旋频率以上、以至更高频区的物理现象的深入理解,还有待进一步深入的研究。
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GMT+8, 2024-9-21 12:19
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