近日，普林斯頓等離子體物理實驗室(PPPL)推出一臺具有無與倫比能力的機器——實驗室重聯實驗設施(FLARE)，用于探索磁重聯現象。

左圖為準備就緒的FLARE。右圖為太陽耀斑圖像。(圖片來源：Michael Livingston / PPPL通訊部;NASA戈達德太空研究所)

在實驗室一間天花板高聳的寬敞房間里，一個側放著的閃閃發光的裝置格外引人注目，它形似一個SUV大小的金屬桶，隨時準備開啟科學實驗之旅。FLARE長12英尺，直徑9英尺，重達10多噸，是世界一流的首創設施，代表了美國能源部下一代基礎等離子體物理學研究。

6月12日，實驗室舉行了一場私人剪彩活動，慶祝FLARE正式投入運營。超過50人出席了這場僅限受邀者參加的活動，其中包括來自美國能源部、普林斯頓大學和PPPL的官員。PPPL主任史蒂夫·考利表示：“今天，我們將FLARE交付給世界。我們履行了設計、制造這臺獨一無二的設備并將其提供給科學界的承諾。我期待FLARE在未來幾年為等離子體科學帶來重要的見解。”

磁重聯是磁場線斷裂并重新連接時發生的現象，會釋放出巨大能量，在整個宇宙中普遍存在，并為巨大的等離子體提供能量，如太陽表面的爆發——太陽耀斑。這些噴發會產生強烈的帶電粒子風，涌入太陽系并襲擊地球外層大氣，可能破壞通信衛星、全球定位系統和電網，導致停電和互聯網中斷。此外，重聯還發生在環形聚變內部的托卡馬克裝置中，會破壞關鍵的聚變反應，干擾運行。準確了解重連如何導致太陽耀斑和托卡馬克裝置中斷，有助于減少對通信網絡造成的損害，并增強托卡馬克裝置運行的穩定性。

普林斯頓大學天體物理學教授、PPPL杰出研究員兼FLARE首席研究員Hantao Ji稱，FLARE是一個全新的研究平臺，擁有科學家們此前從未接觸過的功能，將提供航天器、計算機模擬和其他實驗室實驗無法提供的磁重聯信息，是一種超越現有研究方法的全新研究方式。

FLARE旨在檢驗關于磁重聯的假設，以增進人們對這一基本現象的認識。磁重聯發生在磁場線相互靠近，然后突然斷裂并以新形態重新連接時，威力巨大，在太陽表面和其他恒星上發生時可釋放出相當于數萬億噸TNT炸藥的能量。

美國能源部科學辦公室主任Christian Newton指出，FLARE表明國家實驗室體系增強了美國的國家研究能力，并提供了顯著的競爭優勢。美國能源部聚變能源科學副主任Jean Paul Allain強調，像PPPL這樣的實驗室可以承擔巨大風險來構建能夠解答重大問題的基礎設施，FLARE就是一個完美例子。

到目前為止，科學家們只觀察到在兩條磁場線交匯處一個位置(稱為X點)發生的重聯。FLARE將通過更接近地復制外太空的實際條件，解答重聯是否可以同時在多個X點發生的問題，還將幫助科學家更深入了解重聯如何加熱周圍的等離子體。

發現等離子體科學副主任、PPPL首席研究物理學家兼FLARE團隊成員Jongsoo Yoo表示，FLARE的任務目標是證明重聯可以在多個X點發生，此前由于研究空間和可用能量的限制，無法進行相關實驗，而FLARE將改變這一現狀。不過，用巨大的金屬桶模擬光年大小的巨大空間，關鍵在于比較重聯事件的規模與FLARE內部空間的整體規模。通過擠壓帶電粒子繞磁場線的圓周運動，FLARE的磁鐵縮小了流經等離子體的電流的大小，從而創造出比周圍空曠空間更小的重聯點，就像在外太空一樣。

為了幫助科學家實現研究目標，FLARE可以儲存并釋放海量能量。在實驗中，FLARE可釋放超過600萬焦耳的能量，相當于為大約1000戶家庭供電5秒鐘。這種巨大的能量脈沖使FLARE能夠產生精確模擬重連所需的條件。

FLARE的能力使其能夠收集甚至航天器都無法提供的信息。由于位于實驗室中，科學家可以使用探測器直接測量重聯事件。相比之下，旨在研究太空重聯的航天器任務涉及的航天器數量有限，只能測量太空中非常小的一部分，而FLARE允許科學家進行任意數量的測量。在精度方面，FLARE也勝過高性能計算機模擬，因為模擬包含大量近似值，可能丟失許多重要的物理原理。

FLARE是一個合作研究設施，來自世界各地的科學家可以提交研究提案，并與PPPL的科學家共同確定實驗范圍并建立長期合作關系。例如，科學家可以與PPPL的科學家合作開發新的診斷方法或傳感器，以測量FLARE中的等離子體特性。

FLARE的啟用，對于理解外太空、恒星表面以及用于研究和利用聚變能的設備中發生的復雜物理現象，是邁出的重要一步。Hantao Ji教授表示，FLARE對PPPL乃至全世界都至關重要，因為它對天體物理和聚變等離子體研究都至關重要，這臺下一代機器證實了PPPL在該研究領域處于國內和國際領先地位。

FLARE的組裝由美國能源部(合同編號DE-AC02-09CH11466)和普林斯頓大學資助完成。FLARE儀器的初始建造由美國國家科學基金會重大研究儀器撥款PHY-1337831和普林斯頓大學資助，威斯康星大學麥迪遜分校和馬里蘭大學也提供了資助。