等离子体，作为物质的第四种状态，为众人所熟知。它由带正电的离子与带负电的电子构成。当一束强激光照射到某个物体上时，激光强大的电场会迅速使物体内原子中的电子电离，从而形成等离子体。激光驱动带电粒子运动，会产生高能电子以及各种辐射。我们期望理解这些现象背后的物理过程，却面临诸多困难。

等离子体球体

这是因为在强激光照射下，等离子体会呈现类似流体的性质，难以获得解析解。所幸随着计算机的发展，我们能够借助计算机进行数值模拟来研究这一过程。其中一种模拟方法 ——PIC（particle in cell），能够通过数值迭代运算得到等离子状态的自洽演化。在PIC中，数据被分为红粒子、电荷密度和电流密度、电场和磁场三个部分。

PIC模拟方法

由于等离子体的粒子密度极大，不可能同时考虑众多粒子的运动，所以通常用一个红粒子来代表许多真实粒子。红粒子具有位置和速度信息，依据红粒子当前位置的电磁场和速度，可计算得出其下一时刻的位置和速度。计算机的模拟区域会被划分成许多网格，粒子在网格中的位置和速度决定了网格内的电荷密度和电流密度。

网格内除了电荷密度和电流密度信息之外，还包含电场和磁场信息。有了当前的电磁场信息和电荷电流密度信息，计算机就能根据麦克斯韦方程组计算下一时刻的电磁场，至此完成一个循环。在知晓初始条件后，只需不断重复这个循环，便能得到等离子体后续的演化过程。当然，PIC也有其局限性，过大的模拟区域或过长的模拟时间都会大幅增加计算量，使计算机不堪重负。我们对等离子体的研究还有很长的路要走。