西南研究院(SwRI)空间科学家最近发表的研究成果为预测太阳耀斑和其他“太空天气”事件的热力学情况提供了新线索，这些事件涉及到热、快速移动的等离子体。统计力学是理解具有大量粒子(如气体)现象的热力学行为支柱之一。SwRI空间科学与工程分部的资深研究科学家George Livadiotis博士解释说：经典统计方法已经通过时间的考验来描述地球上的系统，比如组成空气相对稠密的气体混合物。在热平衡状态下，热量在气体粒子之间平均转移，它们的分布就会下降到一个可预测的比率——大量的低速粒子到只有少量的快速粒子，这些粒子运动混乱，相互碰撞频繁。
一个被称为Maxwell-Boltzmann或Maxwellian分布的统计方程准确地描述了不同速度的粒子混合在地球上的分布情况。然而空间中的东西是不一样的，它实际上不是空的，而是充满了等离子体，也就是所谓的物质的第四种状态。等离子体由带电粒子组成——它既不是气体，也不是液体，也不是固体，尽管它经常表现得像气体。太空等离子体就像从太阳向外流动的太阳风，具有更高的快速移动粒子比例。
与地球上的气体不同的是，它们是“相关的”，它们大多朝同一个方向运动，因此彼此之间的碰撞更少。在这种情况下，Maxwellian分布模型不再适用。Livadiotis证实了一个单独的统计方程“Kappa”更适用于空间现象。Kappa是描述粒子速度在热平衡时的分布的数学方程，当粒子速度之间存在相关性时，这是典型的无碰撞空间粒子系统。Kappa方程计算了当快速移动的粒子大量运动时，在热平衡时粒子速度的分布，这是空间等离子体等粒子系统的典型情况。
如上图所示，Kappa方程计算了高速移动的粒子在热平衡时的粒子速度分布，这是典型的空间等离子体粒子系统。图片：NASA
Livadiotis说，Kappa不仅能更好地预测空间等离子体粒子分布，而且能比Maxwellian模型更好地描述它们的热力学行为，这与极热的太阳风等离子体撞击地球磁荷粒子保护层(即磁层)时的情况有关。Kappa的分布使得科学家们能够第一次测量太阳圈外的温度，有了卡帕就能极大地提高我们对太空物质性质和性质的理解，无论是太阳风、耀斑和日冕物质抛射，还是像宇宙射线这样罕见而极端的现象，其研究发表在《EPL》上，这是一探索物理学前沿的期刊。
参考期刊文献：《 Europhysics Letters》（EPL）
DOI: 10.1209/0295-5075/122/50001
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