前期概要：彭秋和是南京大學的天文學家。在內憂外患中他熬過了求學階段、教書早年，當時不管外面腥風血雨，他仍在物理尋求了一方思想上的淨土；然而在現在開放的學術交流中，他獨立思考所開拓的天地，竟然完全不符主流風潮，知音那麼的少！
他並非獨立作戰，連大名鼎鼎的方勵之也曾站在同一戰線，但可能大家注意到的是他對民主的宣揚，而其物理研究結果看懂的人並不多。所幸近年越來越多觀測證據出來時，竟能呼應彭秋和等人早年的許多推測。
今天這篇有點難，且讓我把他對中子星的研究以第一人稱，一次講完。
利用凝聚態物理學（各向異性中子超流渦旋態）探討中子星（脈衝星）和磁星物理性質：
脈衝星發現50年來，已經累積了極為豐富天文觀測資料，但是對於脈衝星相應的中子星的物理性質了解得非常少。雖然關於中子星（脈衝星）和磁星各個方面的理論研究論文非常多，但是，這些理論都難以解釋相應的觀測資料。而絕大多數觀測資料也得不到理論解釋。可能的主要原因有：
1）這些非常豐富的觀測資料（絕大多數是射電波區）基本上都是來自中子星外表面或磁層區域。而中子星內部至今是無法直接觀測的。
2）中子星物理學實質上是需要利用粒子物理、核物理、凝聚態物理、等離子體物理、磁流體物理等各門物理學科綜合的物理學。更重要的是，多體問題對於各門理論物理學都是至今難以解決的困難的問題。在理論上都要引入較多的待定參量。而中子星內部至今是無法直接觀測，所以這些待定參量無法確定。雖然國際上不少著名的凝聚態物理學大權威從事這些研究，但是效果微小。
國際上多數天體物理學家通常通過唯象的Landau二流理論同BCS理論去討論中子星內的中子超流現象。我卻是通過Feymann關於低溫下HeII超流渦旋的唯象理論同BCS理論去討論中子星內的中子（包括各向異性的）超流現象。
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唯象理論（Phenomenology） 這是物理學在解釋物理現象時，不論及內在原因，而只從現象概括試驗事實而到的物理規律，兌現象有描述與寓言的功能，但沒有解釋功能，例如克卜勒的三大行星運動定律就屬唯象理論，可稱之為「知其然而不知其所以然」的階段。 |
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BSC 理論（Bardeen-Cooper-Schrieffer） BSC理論是一個超導的微觀理論，用其理論提出者的姓氏來命名。某些金屬在極低溫下電阻會完全消失，電流在其中可以毫無損耗的流動，這就是超導。超導現象最早在1911年發現，但直到1957年才有令人滿意的BSC理論提出，認為金屬中自旋和動量相反的電子可以配對後便能在晶格中運動時也無能量損耗，便形成超導電流。 |
1980年我就開始探討中子星內部超流渦旋運動可能產生的兩種不同輻射（中微子回旋輻射和各向異性中子超流渦旋運動的磁偶極輻射，正式文章於1982年發表在歐洲學術刊物A.Ap上）。我們是將這種輻射同超流渦旋運動相接合，這在國際上是一種創新的賞試，得到了國際上當年低溫物理權威馬常庚教授（美國加州大學 San Diego分校）的審核與認可。我們在1982年提出了「中子星內中微子回旋輻射理論與脈衝星自轉減慢機制」，這是繼磁偶極輻射模型後，提出了它也可能是導致脈衝星自轉減慢的重要因素之一。我們這種適用於長周期脈衝星自轉減慢的超流渦旋中子輻射模型在國際同行中引起了強烈的共鳴，被國際同行多次引用。但是，西方（美國、英國、西歐）有關權威學者卻不予理睬。
2017/9/4 在英國DBO的IAU 337脈衝星50周年學術會議會議的第二天，在彭勃的指引下我才看見貼在會議廳門口的脈衝星的 P- dP/dt（坐標取對數） 圖 （ P是脈衝星的射電周期，即中子星的自轉周期；dP/dt是周期P隨時間的增長率； 即中子星自轉減慢的速率）分別於1972年、1977、1982，...直到2018年（將於明年正式公布）的脈衝星觀測結果（見後面圖）。看了以後,我興奮得幾乎一夜未入睡。原因如下：
脈衝星的 P- dP/dt 圖是脈衝星研究最重要的觀測圖，它的重要作用類似於恆星演化的赫羅圖（HR圖），也類似於化學中的門捷列夫的化學元素周期表。而在這個圖上首先人們需要了解的是脈衝星的 dP/dt同其脈衝周期的相關性，物理上對應着脈衝星自轉變慢的物理機制。這對於脈衝星的觀測和理論研究者來說，它是首先研究的最重要的問題之一。
在1967年發現脈衝星後不久，1968年著名的天體物理學家Ostriker 同合作者Gunn就提出了「旋轉的磁偶極輻射機制」作為脈衝星自轉減慢的機制。它很快就被人們普遍接受，稱為脈衝星自轉減慢的「標準模型」。按照這個「標準模型」，脈衝星自轉減慢的速率 dP/dt反比於脈衝星的自轉周期。這個比例係數正比於脈衝星表面極區處磁場強度的平方。
1985年以前發現的脈衝星數量很少，絕大多數都是短周期（P<0.5 sec）的脈衝星。周期長於1sec的脈衝星非常少。從當時的觀測資料來看，（除了毫秒脈衝星之外）似乎正常脈衝星在 P- dP/dt圖（橫坐標為log（P），縱坐標為log（ dP/dt）上的分布大致是斜率為（-1）的直線。
可是，2018年的脈衝星的 P- dP/dt圖所顯示的資料完全改變了。現在，周期長於0.5sec 的脈衝星數目也相當多（甚至有P >10sec的脈衝星）。如果你只看 P- dP/dt的P>0.5 sec的右半邊，它明顯地顯示出周期較長的脈衝星分布是斜率為（+2）的直線 （即 dP/dt 正比於週期平方）。這完全不同於脈衝星自轉減慢的「標準模型」的預言。我興奮的是：它卻正好是同1982年我們的模型所預言的結果。1982年，我們在A.Ap.上發表了一篇論文： " Neutrino Cyclotron Radiation from Superfluid Votexes in Neutron Stars: A New Mechanism For Pulsar Spin Down " (Astron. Astrophys. 107, 258-266)，提出了中子星內中子超流渦旋運動發出的中微子回旋輻射作為脈衝星自轉減慢的一種新的可能機制。
這項研究工作起源於1977-1978年間，方勵之、羅遼復和陸埮三人從粒子物理學中的弱電統一理論出發，提出一個作回旋運動的中子可以輻射一對中微子和反中微子（類比於電動力學中一個作回旋運動的電子可以輻射光子）。不過，由於中微子參與的弱作用太微弱。在他們發表的簡短論文（這項工作的想法由方勵之提出，具體地由羅遼復推算，陸埮在1978年中國天文學會會議上報告）中給出了一個作回旋運動的中子輻射中微子（和反中微子）的輻射功率為
Wν = Aω8 (c.g.s.), A=10-159
由於他們三人不是學習凝聚態物理專業的人，不太了解凝聚態物理，更不了解中子星內中子超流渦旋運動。雖然他們也考慮了相干輻射效應，但是他們把整個中子星的旋轉角速度，取最高可達ω ≈ 104 s-1代入，得出整個中子星的中微子回旋輻射功率只有10-8 ergs/s。太微弱了，他們宣布沒有任何效應。
我曾學習過凝聚態物理的兩門專業課程，後來又專門仔細學習過 《第II類超導體》（英文書） 和結合中子星內部情況學習並且對比著名物理學家Feymann的有關HeII超流渦旋理論。所以當1978年秋天在上海召開的中國天文學會會議之後，1978年底我就開始把粒子物理學的上述一個中子的中微子輻射功率同中子星內部中子超流渦旋運動的特殊性質相結合來進行探討。
我的關鍵想法在於利用中子星內中子超流渦旋運動的如下特殊性質：旋轉的中子星內部中子超流區充滿了軸線平行於中子星旋轉軸的量子化的超流渦旋線（超流渦絲）。每一條量子化的超流渦絲包含的中子超流體圍繞軸線旋轉角速度反比於離渦絲的距離的平方。這些中子超流渦絲的核心內部區域為正常中子，但核心區域非常小，約為10-12 cm。在接近渦絲的核心的外部超流區的超流中子圍繞軸線旋轉角速度最高可以達到1020 – 1021 s-1（線速度達到光速的1/3-1/4）。結合中子星內部中子超流渦旋運動的上述特殊性質，再考慮相干輻射效應（輻射功率正比於中子星內包含的中子數目的平方），我發現至少對周期較長的脈衝星來說，整個中子星的中微子回旋輻射功率可以達到同射電輻射功率相比的大小。於是我就大膽地提出上述想法。 這項研究實際上是一種大膽地探討與摸索。因為單個中子的中微子回旋輻射能否推廣應用到整體量子化的超流渦旋狀態中去，凝聚態物理學中未曾出現過類似的研究，這在國際上是首次提出。是否可能，誰也說不上。當年方勵之、羅遼復認為我們的這項研究非常好，而陸埮卻認為我們違反了物理學的基本原理。幸運的是，不僅南京大學物理系專門從事凝聚態物理（低溫超導專家）龔昌德（後來成為院士）支持我，曲欽岳（當時南大校長）告訴我，龔昌德對他說：「彭秋和的研究是開創性的，不能卡！」。
1980年，日本著名理論物理學家Sato訪問南京時，他曾按照我講的思路，由他自己推算，與我的結果相同，使我更增強了自信心。
1982年，黃介浩（這篇文章由他翻譯成英文，在國外發表）在美國訪問期間，M. Burbidge曾委托一位低溫物理學國際大權威馬常庚教授審查。他認可了我們的觀念，說物理上沒有問題。1985年夏天在法國科西嘉島的中子星講習班期間，我同Ruderman、Alpar等脈衝星專家爭論時，他們明確表態：「Peng，我們沒有說你的物理內容不對，只是認為它並不是脈衝星自轉變慢的機制。這將由脈衝星有關P - dP/dt 的觀測來決定。」但我覺得相對於其他學者從現象來推測答案，我們在還沒觀察到週期大於0.5秒時就能做出預測，後來又符合所觀測的現象，這研究取向應該很值得嚴肅面對。
實際上，我們的這篇論文發表以後不久，引起了國外不少天文學家的反響。整理如下表：
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學者名稱 |
期刊 |
反響 |
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O.H. Gaseinov and I.M.Yusifov |
Ap.S.S. 94 (1983) 249 |
該文的引言中把我們的理論稱為有關脈衝星的四種理論之一 |
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I.F. Malov |
Sov. Astron. 29 (2), (1985)144 |
作者不僅用統計支持我們的理論，而且該文用第6節專來綜述我們的物理觀念 |
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.I.F. Malov |
Aust. J. Phys. 40 (1987)731 |
該文用第7節專門來述我們的物理觀念，并用脈衝星的資料統計分析支持我們的理論 |
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O.Kh. Gueinov and I. M. Yusifov |
Sov.Astron. 30 (2), (1986)161 |
作者在文中脈衝星周期和它的變化率的關系圖中明確用直 線 B來描繪dP /dt µ P2曲線,并明確地指出這種長周期（ P > 1sec.）脈衝星自轉減慢的規律是我們發現的 |
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O.C. de Jager and H.I. Nel |
A & A. 190 (1987) 87 |
作者不僅用第3節來詳細引述我們的觀念和理論公式,并且把他們自己的理論多次反復地同我們的理論進行對比 |
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F. Barone et al. |
A & A. 203 (1988)322 |
作者明確肯定了我們提出的機理，引用我們提出的可能存在着兩種不同結搆的中子星的觀點。 |
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I.F. Malov |
Astronomy Reports 45 (2001) 389 orА .Ж. 78 (2001) 452 |
作者多次引用我們論文，而且對迄今已經提出有關脈衝星自轉減慢六種機制和它們的推論進行了比較，根據脈衝星較新觀測資料的統計分析結果進行判斷，其結論充分肯定了我們理論：對周期（P）長於1.25秒的長周期脈衝星來說，脈衝星自轉減慢的規律遵從我們中國人提出的 |
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I.F. Malov |
《射電脈衝星》2004俄文版，83頁 |
文中闡述了我們的理論。 |
雖然有以上學者的注意，可是西方的脈衝星、中子星研究主流的權威們對我們的研究仍不予理睬。
最近這十多年我將凝聚態物理學（包括強磁場下的統計物理和有關中子超流渦旋的性質）與核物理、粒子物理學同中子星自研究結合起來仍在不斷地深入探討。陸續地進行了如下研究：
1） 在1982年上述研究 的基礎上，2003年我進一步提出「中微子火箭噴流模型」來解釋「高速中子星」這個國際上的重大疑難問題（2003年7月，在澳大利亞的雪梨舉行的第25屆國際天文學會中子星專題學術討論會上作學術報告），相應的短文發表在IAU相應的會議文集上，尚未在正式學術刊物上發表。我的這個模型不僅可以很自然地解釋 「高速中子星」的天文觀測現象，而且實際上可以自然地解釋幾年以後（至到最近）天文觀測陸陸續續地發現「脈衝星的空間速度方向與它的自轉軸方向一致」的現象。 「高速中子星」 與「脈衝星的空間速度方向與它的自轉軸方向一致」的現象至今仍是脈衝星研究中的重大疑難問題，年輕學者可跟隨此取向深入研究。
2） 我們利用凝聚態物理計算金屬內電子氣體Pauli順磁矩的類似方法應用到中子星，發現：通常中子星的強磁場（1011 - 1012 gauss）起源於在初始的由超新星核心坍縮時（由磁通量守恆）形成的較強 「化石」磁場下，相對論強簡并電子氣體誘導的Pauli順磁磁矩產生的誘導磁場。這篇論文於2007年發表在MNRAS上（Peng and Tong, 2007）。
3） 我們最近證明：磁星超強磁場來自在原有本底（包括電子氣體的Pauli順磁磁化）磁場下，各向異性中子超流體3P2中子Cooper對磁矩的順磁磁化現象（類似於地球物理實驗室中鐵磁體的磁疇現象）。我們已獲得非常有意義的重要結論：磁場上限（2-3）´1015 gauss。這個由凝聚態物理給出的磁場上限將限制國際上許多非物理的假設（更高的磁場）及其模型。有關論文於2016年發表在美國的物理學術刊物上：Qiu-he Peng, Jie Zhang, Men-quan Liu, Chich-gang Chou, 2016, “Origin of Strong Magnetic Fields of Magnetars” Universal Journal of Physics and Application 10(3): 68-71
4） 關於磁星物理性質和磁星高X-射線光度產生的物理機制的研究，論文於2016年在美國的學術刊物 〈Universal Journal of Physics and Application〉上發表：Qiu-he Peng, Jie Zhang, Chih-kang Chou, Zhi-fu Gao, 2016, “The Physics of Magnetars II - The Electron Fermi Energy of and the Origin of High X-ray Luminosity of Magnetars”, Universal Journal of Physics and Application 10（3）: 72-79。主要內容如下：在磁星的超強磁場（B > Bcr ,其中Bcr = 4.414×1013 Gauss為Landau臨界磁場）下，電子氣體的Fermi能EF(e) ≈ 43 (B/Bcr)1/4 MeV，即電子氣體的Fermi能隨磁場的增強而增加。這同國際流行觀念（當磁場增強時電子氣體的Fermi能量反而降低）完全相反。我們這篇論文詳細討論了這個差異的原因在於，自1967年脈衝星發現以來，幾乎所有有關的理論研究文章全都引用了1965年出版國際流行的統計物理教科書中討論強磁場下有關相對論性簡并電子氣體微觀狀態數目計算方法和結論的錯誤公式。我們這篇論文詳細論證了這個錯誤的原因，正是這個錯誤公式誤導了五十年來所有有關的理論研究論文都未能解釋有關天文觀測現象（例如，磁星高X-射線光度產生的物理原因）。我們這個重要公式至少有兩個重要推論：
1. 它可以自然地獲得磁星高X-光度產生的物理機制。
2. 直接烏卡過程（Urca process）可能發生。到目前為止，國際流行的理論是：在中子星內（中子成分約占95%，質子成分約只占5%，由於物質電中性故電子數目等於質子數目），處於β-平衡狀態的中子星內部，直接烏卡過程是禁戒的，這是因為它不可能同時滿足能量守恆與動量守恆定律。但是在磁星的超強磁場下，相對論簡并電子的Fermi 能量超過非相論簡并中子氣體的Fermi 能量，因而直接烏卡過程是可以進行的。
直接烏卡過程的出現將導致兩個重要效應：
1. 它將提供年輕脈衝星有效地迅速降溫的物理機制。
2. 直接烏卡過程可能在中子星內部各向異性（3P2 ）中子超流區起着有效降溫作用。我們在1982年曾提出的在中子星內部各向異性中子超流渦旋運動區域內，超流渦絲（Vortex）內 中子Cooper 對的磁矩在超流渦旋運動過程中產生的磁偶極輻射機制導致的中子星內部加 熱的效應。如果把這二者結合起來，可以引起各向異性（3P2）中子超流體的A相與B相（類似於液態 超流體的A相與B相）之間的相變振蕩。它可能很自然地解釋年輕脈衝星的自轉突快（glitch）現象。
關於年輕脈衝星的自轉突快現象產生的上述物理機制我已正式寫成論文（它可以解釋脈衝星自轉突快現象的主要觀測規律），由臺灣學者鄒志剛教授翻譯成英文，準備投稿。
由於國際上絕大多數天文學家很少有人同時熟悉凝聚態物理、核物理與粒子物理。我們的這些研究在國際脈衝星的理論研究中是處於最前沿的。
在這項研究的基礎上，2003年我再進一步提出「中微子火箭噴流模型」，解釋「高速中子星」此重大疑難問題（2003年7月，在澳大利亞雪梨舉行的第25屆國際天文學會中子星專題學術討論會上作口頭學術報告）。
鑒於中子星內部物理學深入探討中遇到相當的困擾，我的學術興趣就轉向了磁單極天體、星際26Al 核合成、超新星爆發機制等問題的研究。1983年後，在對中子星的研究過程中我幾乎中斷了20年。自2000年，鑒於對超新星爆發機制研究遇到難以克服的困難，我再次集中精力探討中子星和磁星物理的研究。
實際上，在2000年前我就利用在強磁場下Landau能級量子化的觀念探討了中子星內簡并電子氣體的性質同經典Boltzmann 電子氣體性質的區別，很自然地發現： 在（超）強磁場下， 「磁場愈強，中子內電子氣體的Fermi能愈高」的結論。但是，我驚訝地發現，這個結論卻同國際上的主流觀念 「磁場增強，電子的Fermi能降低」完全相反。
國際上的主流觀念源自於1969-1970年間Canuto 和丘宏義的論文，後來賴東繼續深入研究，自他1991年攻讀博士學位的論文開始，直到後來成為國際著名的權威學者，都持這種觀念。典型的代表性論文見 “Dong Lai, Matter in Strong Magnetic Fields” 《Reviews of Modern Physics》, 2001, 73: 629-661。
實際上，在2000年以前，我曾經循着Canuto，丘宏義開拓的方法去探討過，發現不僅過程繁瑣，物理觀念模糊。而且發現這些國際主流的理論研究論文都無法解釋脈衝星、磁星的主要觀測現象。也就是說脈衝星、磁星的主要觀測現象沒有一個可以被現有的國際主流的理論研究論文來解釋。於是我開始逐步追究根源。經過前後十多年的查找,終於發現了根源：1969-1970年間Canuto 、丘宏義的論文和後來賴東所有的論文都引用了1965年國際統計物理教科書中關於在強磁場下（考慮Landau能級量子化的觀念）簡并電子氣體微觀相貌數目計算的公式。這個（中子星內）相對論性簡并電子氣體微觀相貌數目計算的最後公式同Landau和 Liphshitz 的教科書《量子力學》書中討論非相對論（非簡併）電子氣體的微觀相貌數目計算公式完全相。這個非常奇異的相同使我最終發現這本1965年國際統計物理教科書以及2003年出版的相應教科書在這個問題上的嚴重錯誤。（請參閱2016年論文： Peng et al., 2016, “The Physics of Magnetars II - The Electron Fermi Energy of and the Origin of High X-ray Luminosity of Magnetars”, Universal Journal of Physics and Application 10(3): 72-79, 2016）。
在我審核國際統計物理學教科書的這個錯誤並提出我近十年的觀念過程中，我在北京大學物理系理論物理教研室同幾位中年留學歸國任教的教授（物理學院副院長劉玉鑫教授）進行了多次學術交流，獲得了認可，讓我更加篤定。
當我肯定自己學術觀念可靠之後，我對中子星和磁星物理進一步進行了深入探討，做了如下研究，可以解釋脈衝星和磁星的一系列觀測資料。
1） 中子星強磁場的物理原因—中子星內相對論性電子氣體Fermi面附近的Pauli順磁放大效應 （Qiu-he Peng and Hao Tong, 2007, “The Physics of Strong magnetic fields in neutron stars”, Mon. Not. R. Astron. Soc. 378, 159-162(2007)）
2） 磁星超強磁場的物理本質—中子星內部中子各向異性超流體（3P2）Cooper對磁矩的順磁放大效應 （Qiu-he Peng, ie Zhang, Men-quan Liu, Chich-gang Chou，2016, “Origin of Strong Magnetic Fields of Magnetars” Universal Journal of Physics and Application 10(3): 68-71, 2016 http://www.hrpub.org DOI: 10.13189/ujpa.2016.100302）
3） 年輕中子星內超強磁場下電子氣體Fermi能同磁場的相關性和磁星高X-ray光度產生的物理原因 （Peng et al., 2016, “The Physics of Magnetars II - The Electron Fermi Energy of and the Origin of High X-ray Luminosity of Magnetars”, Universal Journal of Physics and Application 10(3): 72-79, 2016）
4） 年輕脈衝星周期自轉突快的物理原因---中子星內部中子各向異性（3P2）超流體A-相與B-相之間的相震蕩 （正在成文並翻譯成英文之中）
我們 的「3P2中子超流體的A相與B相之間的相震蕩模型」模型揭示了年輕脈衝星自轉突快現象的物理實質。理論估算了一系列物理量。可以自然地解釋脈衝星自轉突快現象的一系列觀測事實。例如：
i. 脈衝星自轉突快現象集中在磁場很強的年輕脈衝星群體中。愈年輕的脈衝星，出現自轉突快現象的頻數愈多，其幅度也愈大；即隨着脈衝星年齡的增長，發生自轉突快現象的次數減少，自轉突快的幅度降低。
ii. 磁場愈強的脈衝星，出現自轉突快現象的頻數愈多，其幅度也愈大；磁場愈弱的脈衝星，出現自轉突快現象的次數愈少，自轉突快的幅度愈小；國際上所有現有的脈衝星自轉突快模型都無法解釋這些觀測現象。
iii. 我們在理論中自然地解釋十多年前發現的罕見的緩慢自轉突快現象。至今國際同行完全無法解釋緩慢自轉突快現象。而它是我們理論的一個自然結果，它也是有利於我們理論的一個重要觀測證據。
iv. 我們的理論還發現自轉突快躍變幅度同相繼兩次自轉突快的時間間隔時間成正比，這同脈衝星監測資料最豐富、完整與齊全的脈衝星PSR J0537-6910（LMC，大麥哲倫星雲）的射電脈衝周期的十年長期監測的觀測資料（Middleditch et.al., 2006, ApJ. 652: 1531）是完全相符合的。這在國際上是唯一的，也成為對我們研究結果最強有力的支持與證據。
後記：由於這些天文上的問題牽扯到物理當中的不同次領域，很少有人能融會貫通，因此當彭秋和教授的理論出來時真的能與之對談的人很少，許多人無法用知識與理性來衡量，只是拿著主流理論來打量他不符合就加以排斥，讓他煎熬數十年。所幸現在許多新的觀測證據出來與其預期相符，因此越來越多學者開始正視其言論，給予機會發表。今年他已經被美國、日本、奧地利等地的學術會議邀請前去演講，許多人樂於與他討論。可惜他在自己國家反而受到排擠，無法申請到經費，這些出國研討會全都自費或由家人贊助。雖然他的遭遇讓人不平，但他也樂觀表示，跟哥白尼、伽利略等前輩相比，自己已經很幸運了，只希望藉由科普傳播，有機會與更多具有開放心胸的同好切磋琢磨。
