在说核能之前有个宇宙天文学现象‘磁重联’要先了解。它就像魔术方块一样，每个
单一粒子的磁矩要跟其他粒子精准接合才能传输能量。如果两两磁矩之间match的机率是
P，那可以想像N组的机率P^N机率有多小了。这也是为什么宇宙里的恒星形成时间都要上
亿年之久。
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磁重联（magnetic reconnection），或磁力线重联（magnetic field line
reconnection）——也有叫“磁场重联”的，取描述磁力线“断开”（break）再“重新
连接”（reconnect）的物理过程的意思。这一过程早期就是用magnetic field line
broken and reconnected这样的语言来表述的。
磁重联的理论，在实验室、空间、与天体等离子体物理领域里都有重要的应用。很多“快
尺度”的大规模能量转换过程如实验室中磁约束等离子体的各种撕裂不稳定性（tearing
instabilities）、空间物理中太阳风等离子体与地球磁层之间的耦合、天体（太阳）物
理中耀斑（solar flares）、日冕加热（solar coronal heating）、日冕物质抛射（
coronal mass ejections, CME）等现象，或是典型的、或是伴随着磁重联的物理过程。
而且基于磁重联理论发展起来的“磁场拓扑”理论对几何与拓扑研究也有很大的推动。
磁重联的模型，起源于天体（太阳）物理的研究。最早的“磁重联”概念是一位澳洲的物
理学家为解释日耀斑现象而提出的（Giovanelli, R. G., 1946: Nature 158, 81）。但
是那时他用的terminology不是“magnetic reconnection”，而是“magnetic
annihilation”——磁“湮灭”。就是说，当两条方向相反、相对运动的磁力线在一点“
相遇”时，会产生磁“湮灭”而放出光——用此来解释日耀斑观测看到的强辐射。
这个简单的模型，开创了等离子体物理学的一个重要研究领域——磁重联理论、实验、与
卫星、天文观测。以至于最近美国专门以磁重联研究为主要目的连续发射了五颗卫星（即
所谓THEMIS计划）。什么叫“原创性研究”（original work）？Giovanelli的这个工作
就是典型的例子。
当然，现在看来这个模型还非常粗糙。不过，开创性的工作常常是简单的、但是抓住了关
键。
当然，现在看来这个模型还非常粗糙。
首先，通过现代计算机模拟我们可以看到，磁力线的电磁“湮灭”是在真空中发生的现象
。即磁力线只有在真空中才能以光速运动并“湮灭”。而在等离子体中，因为要“携带”
环绕其旋转的带电粒子（特别是离子）一起运动，所以磁力线是有“质量”的，即使是电
磁扰动引起的磁力线运动，其速度相比光速来说也是缓慢的——大约在Alfven速度的数量
级。因此，后来人们改用“reconnection”来代替“annihilation”。
而且我们知道，磁场的散度为零，所以磁力线是不会“断开”的（至少在真空中）。实际
上，在等离子体的理想磁流体（ideal magnetohydrodynamics, or ideal MHD）近似下，
等离子体与磁力线是“冻结”（frozen in）在一起运动。形象地说，就如我们小时候喜
欢吃的“棒冰”的冰冻结在中间的棍上一样。更准确的比喻是串在中间的杆儿上的算盘珠
：可以很容易的沿着杆儿运动或者“回旋”运动，但是没法“跨越”这一根杆儿到另一杆
儿上去。当然，如果等离子体中有不均匀性，还是会产生横越磁力线的“漂移”（drift
），但是如果磁场限制在有限的体积内，这种“漂移”运动仍然限于同一磁力线所螺旋缠
绕成的磁面上：不过是“抄近路”到同一磁力线的另一部分而已。就像调皮的孩子在螺旋
滑梯上直线地从“一层”跳到“另一层”。
理想磁流体的这一重要性质可以用来实现在物理测量上“追踪”（tracing）磁力线（A.
Newcomb, 1960: Ann. Phys. (N.Y.) 10, 232）；并且保证了磁力线在其演化过程中拓扑
性质不变。这种不变性对应的守恒量叫做“磁螺旋度”（magnetic helicity），定义为
磁矢势A与磁感应强度B的点乘积的空间积分（一般积分域为一条“磁力管”）。
当等离子体中的耗散效应（比如电阻）很小的时候，也就是说，磁力线在等离子体中的扩
散时间远大于磁力线运动的特征时间、或者耗散效应起显著作用的特征空间尺度远小于磁
场变化的特征空间尺度，上述性质还可以继续应用。所以对于空间以及实验室中的磁约束
等离子体来说，理想磁流体的这些性质基本上都是适用的。
但是，当两条磁力线足够接近，到了“非理想”效应（non-ideal effects，比如耗散或
者其它破坏理想磁流体条件的动理学效应如有限Larmor半径等效应）显著影响物理过程的
尺度，随它们一起运动的“等离子体元”便分辨不出自己到底属于哪一条磁力线。这可以
有两种情况：或者（当碰撞很弱的时候）两条磁力线之间的距离小于带电粒子环绕磁力线
运动的回旋半径（Larmor半径）；或者（当碰撞足够强的时候）一条磁力线上的电子被“
碰出”自己的回旋轨道后可以被另一条磁力线“捕获”，甚至完全“丢失”了（不知道跑
到那条磁力线上去了）。
这时反过来我们也可以说（因为我们只能做粒子运动的测量）磁力线“丢失”了自己的
identity，也就是说我们无法identify磁力线了。人们把这个磁力线“迷失”的区域叫做
“扩散区”（Diffusion Region）。因此，在这个区域里磁场的拓扑可以发生改变。一旦
这种改变发生，“走出”这个“扩散区”的磁力线就已经不再是原来的磁力线了。它们之
间的连接形式发生了“重组”。我们把这个磁力线进入扩散区、“迷失”、重新连接，最
后“走出”扩散区的整个过程，叫做“磁力线重联”或者简称“磁重联”。显然，磁重联
伴随着磁场拓扑的变化（比如等离子体中的撕裂模就是一种典型的磁重联过程，“撕裂”
就有原来磁场拓扑被改变的意思），因此导致磁场能量的快速释放。所以实验室、空间、
天体等离子体中很多快过程、特别是“突发”（Onset）过程，如太阳耀斑、日冕物质抛
射、磁暴（Magnetic Storms）、磁层亚暴（Magnetosphere Substorms）、锯齿崩塌（
Sawtooth Collapses）、破裂不稳定性（Disruptions）等都与磁重联有关甚至是磁重联
主导的物理过程。