神秘而强大的第四种物质状态：北极光中存在的等离子

2018年07月02日 11:00:48 | 来源：原理

　　原标题：神秘而强大的第四种物质状态

　　小学时，我的老师告诉我，物质存在三种可能的状态：固态、液态和气态。但其实，她没有提及的是一种特殊的电化气体——等离子体，这是第四种特别重要的物质状态。之所以我们较少提及，是因为在生活中我们很少遇到天然的等离子体，除非你有幸看到过北极光，或者是通过特殊的滤镜来观察太阳，又或是像我小时候那样——喜欢在雷雨天将头伸出窗外。然而，在日常生活中是稀缺品的等离子体，却占据了宇宙中可观测物质的99%以上（如果我们忽略暗物质的话）。等离子体物理学是一个丰富而多样的探究领域，与它相关的研究主要是由其在现实世界中的应用所推动的。

　　那么首先，我们要如何才能制造出等离子体呢？想象一下，加热一个装满冰块的容器，并观察它从固体、到液体、再到气体的过程。随着温度的升高，水分子的运动会变得更加剧烈，并能越来越自由地移动。如果温度继续上升到12，000摄氏度，原子将开始分裂。电子将从原子核中剥离，留下的是被称为离子的带电粒子，它们会盘旋在产生的电子汤中。这便是等离子状态。

　　在英文中，血浆和物理中的等离子体是同一个单词——plasma，这二者之间的联系不仅仅是种巧合。1927年，美国化学家Irving Langmuir观察到，等离子体携带电子、离子、分子和其他杂质的方式与血浆对红细胞、白细胞和细菌的运输过程类似。Langmuir是等离子体研究的先驱；他与同事Lewi Tonks一起，还发现了等离子体是由粒子的集体行为造成的电子快速振荡所描绘。

　　等离子体的另一个有趣特性是，它们具有支撑磁流波（hydromagnetic wave）的能力。磁流波是沿着磁场线穿过等离子体的凸起，类似于沿吉他弦传播的振动。1942年，瑞典科学家Hannes Alfvén（并最终获诺贝尔奖）首次提出了这种波的存在，但当时的物理界对此持有怀疑态度。后来，Alfvén在芝加哥大学进行了一场演讲，在演讲结束后，著名的物理学家费米（Enrico Fermi）上前与他讨论这个理论，并认可地说道：“这种波当然可能存在！”从那一刻起，科学界的共识就变成了Alfvén绝对是正确的。

　　当代等离子科学的最大前景之一是受控热核聚变，它指的是当原子合并在一起时释放出强烈但可控的能量爆发，这几乎能源源不断地提供安全、“绿色”的能源，但这并非一件容易的事。在聚变出现在地球上之前，等离子体必须加热到超过1亿摄氏度的温度，这一温度比太阳的核心还要高10倍！但这并不是最复杂的一点，在20世纪90年代，我们就能达到并超过这一温度；更棘手的问题是，热等离子体非常不稳定，且不喜欢待在一个固定的体积内，这就意味着它难以被控制和利用。

　　我们对实现受控热核聚变的尝试可追溯到20世纪50年代初。当时，美国、苏联还有英国都在悄悄地进行这项研究。在美国，普林斯顿大学是这项研究的支柱。在那里，物理学家Lyman Spitzer启动了马特洪计划，一群科学家秘密地在一个名为“仿星器”的8字形设备中，试图对聚变进行引发和控制。那时的他们没有电脑，只能依靠笔来进行计算。虽然他们没有解决这个难题，但却最终发展了“能量原理”，这一原理至今仍是测试等离子体稳定性的有效方法。

○ 左：托卡马克；右：仿星器。| 图片来源：Economist.com

　　与此同时，苏联的科学家正在研发一种不同的装置，名为“托卡马克”。这台由物理学家Andrei Sakharov和Igor Tamm设计的机器利用强大的磁场，将热等离子体变成甜甜圈的形状。托卡马克能够更好地维持等离子体的高温和稳定，直到今天，大多数聚变研究项目都是依赖于托卡马克的设计。为了实现这一目标，中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国已经联合起来，要共同建立一个世界上最大的托卡马克反应堆，这一计划预计能在2025年建成。不过近年来，科学家对仿星器的热情也再次被点燃，最大规模的一次始于2015年的德国。从两条不同的路径进行探索，或许是实现聚变的最优策略。

　　此外，来自太阳上层大气产生的超高速太阳风，会将等离子体携带到地球周围，因此等离子体也与地球周围空间里的物理纠缠在一起。幸运的是，地球的磁场能使我们远离这些带电的等离子体粒子以及来自太阳风辐射的伤害；但我们的卫星、航天器和宇航员却都暴露在外。要让它们能在这种充满敌意的环境中生存，还需依赖于我们对等离子体的理解和调节。

○ 通过太阳风到达地球周围的等离子体。| 图片来源：ESA/NASA/SOHO/LASCO/EIT

　　在一个新的被称为“空间天气”的研究领域中，等离子体物理所扮演的角色与流体力学在地面大气环境下所起的作用类似。我将大部分精力都投入到了对磁重联的研究，即等离子体中的磁场线可被撕裂也可被重新连接，从而导致能量的快速释放。这一过程被认为是太阳的一系列爆发事件（比如太阳耀斑）背后的动力，不过对此，我们仍缺乏详细的理解。未来，我们或许可以采用预测城市恶劣天气的方法，来预测太阳风暴。

　　追溯时空的过往，我希望等离子体物理学能为恒星、星系和星系团的最初形成提供新的见解。根据宇宙学标准模型，等离子体在宇宙早期几乎无处不在；之后当一切都开始冷却，带电的电子和质子结合在一起形成了电中性的氢原子。这种状态一直持续到第一批恒星和黑洞形成并开始释放辐射，这时宇宙被“再电离”，回到大部分都为等离子体的状态。

　　最后，等离子体有助于我们解释那些在宇宙最远处观测到的一些极为壮观的现象。就拿遥远的黑洞来说，我们对这种密度极其致密、即使光也无法从中逃脱的大质量天体几乎无法进行直接观察。然而，通常来说黑洞外有一圈旋转的等离子体物质盘，它们在黑洞的引力下绕其旋转，并发射可在X射线波段中观测到的高能光子，为我们揭示了这种极端环境中的某些信息。

　　于我而言，从认为物质的类型只有固体、液体和气体开始到现在，我经历了一段激动人心的旅程。看起来，等离子体仍颇具奇异性，但当我们学着去开拓它们的潜力以及拓宽我们对宇宙的视野时，或许有一天，我们会觉得它们就如同冰和水一样普通。而且如果一旦我们实现了受控核聚变，等离子体或许将成为我们生活中不可或缺的东西。