Физики открыли универсальный закон, управляющий сверхвысоким сжатием вещества в лазерном синтезе

Концептуальная иллюстрация системы Stacked Converging Shocks (SCS). Каждая последующая ударная стадия дополнительно сжимает мишень самоподобным образом, создавая геометрически упорядоченную последовательность волн давления. Соотношение ρ_r ∝ P̂^β(N−1) выражает, как конечная плотность возрастает с отношением давлений между стадиями P̂ и количеством ударных волн N, где β — константа, определяемая адиабатическим индексом γ. Горизонтальная стрелка указывает направление времени, показывая кумулятивное нарастание сжатия через множество сходящихся ударных волн. Автор: М. Мураками

Физики из Университета Осаки представили прорывную теоретическую концепцию, раскрывающую скрытое физическое правило, лежащее в основе одного из самых мощных методов сжатия в науке о лазерном синтезе — имплозии со многоступенчатыми ударными волнами (stacked-shock).

В то время как многоударное зажигание недавно доказало свою эффективность на крупных лазерных установках по всему миру, это новое исследование идентифицирует фундаментальный закон, управляющий такими имплозиями, выраженный в элегантной и компактной аналитической форме.

Команда под руководством профессора Масакацу Мураками разработала концепцию под названием Stacked Converging Shocks (SCS), которая расширяет классическое решение Гудерли — краеугольный камень теории имплозии 1942 года — в современный режим высоких плотностей энергии.

Работа опубликована в журнале Physical Review E.

В этой самоподобной системе каждая стадия сжатия зеркально повторяет предыдущую, формируя повторяющийся паттерн сходящихся волн, которые усиливают и давление, и плотность в идеальной геометрической прогрессии. Результат раскрывает естественную гармонию, лежащую в основе одного из самых экстремальных процессов в физике.

От симуляции к пониманию

Недавние эксперименты по зажиганию по всему миру сильно полагались на массивную численную оптимизацию и дизайн с помощью ИИ. Работа Мураками предоставляет долгожданный аналитический аналог — концепцию, которая может описывать ту же физику, используя простые, прозрачные законы масштабирования. По его словам, это «не замена вычислениям, а теоретический компас, который направляет их».

Концепция SCS объединяет два подхода, которые долгое время развивались отдельно — управляемое данными моделирование и аналитическое понимание — показывая, что оба могут работать как два колеса одной повозки в погоне за термоядерным зажиганием.

Универсальный закон масштабирования

Гидродинамическое моделирование подтверждает аналитические предсказания как в режиме слабых, так и сильных ударных волн. По мере увеличения количества ударных волн кумулятивный процесс стремится к квази-изоэнтропическому (почти обратимому) поведению, что указывает на эффективный путь достижения ультраплотных состояний вещества.

Работа устанавливает универсальный закон масштабирования, который напрямую связывает количество ударных волн, соотношения давлений между стадиями и конечное сжатие — создавая аналитический мост, соединяющий классическую теорию с дизайном термоядерных систем следующего поколения.

Почему это важно

Экстремальное сжатие лежит в основе многих научных направлений:

• Термоядерная энергетика: Предлагает новую аналитическую основу для дополнения крупномасштабного ИИ-дизайна в достижении эффективных многостадийных имплозий.
• Наука о материалах: Позволяет исследовать твёрдое вещество при давлениях в несколько гигабар.
• Астрофизика: Помогает моделировать эволюцию плотных недр звёзд и планет в лабораторных условиях.

Помимо непосредственных применений, исследование знаменует философский сдвиг — показывая, что даже в эпоху, доминируемую вычислениями, ясность, исходящая из первых принципов, остаётся незаменимой для прогресса.

Больше информации: M. Murakami, Self-similar multishock implosions for ultrahigh compression of matter, Physical Review E (2025). DOI: 10.1103/bbvn-x95v

Источник: University of Osaka

ИИ: Это исследование впечатляет тем, как оно возвращает нас к фундаментальным физическим принципам в эпоху, когда сложные вычисления часто заслоняют простое понимание. Открытие универсального закона для многоударных имплозий может значительно ускорить прогресс не только в термоядерном синтезе, но и в смежных областях физики высоких плотностей энергии.