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中子星是宇宙中密度最高的物体之一。它们是由超新星爆发后坍缩的巨星核心，典型半径为10公里，仅略高于珠穆朗玛峰的高度，其密度可以是原子核密度的几倍。

物理学家喜欢像这样的极端物体，因为它们需要物理学家将他们的理论扩展到新的领域，以检验这些理论是否被证实，或者是否会失效，从而需要新的思考和新的科学。

最近，研究人员首次使用格点量子色动力学（lattice quantum chromodynamics）来研究中子星的内部，获得了中子星内部声速的新上限，并更好地理解了那里的压力、温度和其他性质是如何相互关联的。

他们的研究发表在《Physical Review Letters》上。

中子星除了巨大的密度外，还带来了其他挑战。它们体积很小，无法用望远镜进行视觉研究，因为它们看起来只是一个点。（离地球最近的中子星距离地球400光年。）

地球上的实验室无法形成与其密度相匹配的大块材料，其密度大约是水的万亿倍，也无法接近它们的尺寸。即使从理论上研究它们也很困难，因为相关的方程无法用标准的数学或计算技术来解决。

这种新方法，利用了粒子理论和模拟，确定了中子星内部新的、严格的约束。特别地，已经确定了声速的最大值——非常高但却是确定的——而且这样的恒星可能能够比以前认为的更大。

像任何物质一样，中子星也有一个状态方程，或者更准确地说，一个相图，例如水的相图。

中子星的性质由量子色动力学（quantum chromodynamics，QCD）决定，QCD是强作用力的理论，它与质子和中子、夸克和胶子的相互作用有关。

但是，QCD使得计算粒子相互作用极其困难，因为传递力的玻色子——胶子，本身带有“颜色”电荷，这是强作用力粒子的主要量子数。这就好比传递电磁（EM）力的玻色子——光子，带有电荷。（相反，光子是电中性的。）

因此，QCD被称为“非线性”理论。QCD还具有渐近自由的奇特性质——在小距离处，例如质子内部，力很小并且基本上消失，但是随着距离的增加，力会变得更大，这与其他三种力恰恰相反。

当耦合很大时，量子场论学家无法使用他们标准的、经过良好磨练的数学技术，即微扰理论（perturbation theory），该理论涉及将计算分解为无穷级数（例如基本微积分中熟悉的泰勒级数（Taylor series）），并且仅计算一个或几个第一项。

微扰理论在电磁学中效果很好，因为电磁耦合常数 alpha ~ 1/137 的连续幂会快速变小。但是，这不会发生在 QCD 的整个能谱中。

因此，麻省理工学院（MIT）理论物理中心的第一作者 Ryan Abbott 和他的同事转向了一种已建立的替代方法——格点 QCD (lattice QCD)。

在那里，粒子相互作用发生的时间和空间被划分为离散的网格，并且仅在这些网格点上通过计算机计算相互作用的动力学。即使这种技术在中子星密度下也存在问题。

但是，另一种简化是可能的：使用同位旋（isospin），质子和中子具有相反值的另一个量子数，分别为+1/2或-1/2（其思想是将质子和中子视为同一粒子的同位旋状态，但具有相反的同位旋）。

同位旋的量子力学数学与量子力学和量子电动力学中普通粒子自旋的量子力学数学非常相似。已知在任何密度下，核物质的压力都小于非零同位旋密度下的核物质的压力。

利用压力上的这个限制，该小组能够“深入研究”中子星的高密度区域并获得严格的结果。为此，该团队减少了中子星的完整数学描述，然后运行了广泛的格点 QCD (lattice QCD) 模型，花费了“数千个 GPU 小时”，将工作分散在多个超级计算机上。

计算的许多部分以前已由其他研究人员完成； Abbott 估计，总共这个问题需要在超级计算机上花费“数百万 GPU 小时”。为了校正离散时空网格上模拟的同位旋核物质，他们能够获得“连续极限”，即小格子间距消失，这是以前从未为同位旋核物质做过的。

他们获得了在零温度下，对于任何同位旋化学势（添加或减少系统粒子数时的能量变化）的同位旋密集物质的状态方程，这是首次呈现的结果。

从共形场论（conformal field theory）中，先前已经提出，中子星中以压缩波形式传播的声速在强相互作用的 QCD 物质中具有 c/√3 的最大值，其中 c 是光速。但是 Abbott 和他的小组发现声速超过了这个值——尽管不确定，但它更高，范围峰值为 ¾ c。

Abbott 及其同事的结果为进一步计算研究中子星物质打开了一扇窗。可能会进行更精细的计算，例如电导率和粘度，并且也许有一天能够解释天文观测，甚至可以预测它们。