《星球大戰》里的光劍，和激光完全沒關係！
時值寒冬，冷風刺骨。要說當下最火熱的電影是什麼？當然是正在席捲全球票房的星球大戰！《星球大戰7：原力覺醒》是科幻電影系列《星球大戰》的第七部，由盧卡斯電影公司和迪士尼聯合發行，上映後打破了北美一系列的票房紀錄，在1月9日中國大陸上映後，也取得了很好的票房成績（小編當然也去看了）。而影迷們津津樂道的事物中，自然少不了那炫目的光劍（lightsaber）。需要說明的是，光劍的劍身不是激光，而是磁約束的等離子體，而等離子體在我們地球周圍的宇宙空間中隨處可見，在空間物理研究和空間探測中，其熱度不亞於電影中的《星球大戰》。
圖1 《星球大戰》系列電影中的光劍
首先簡單介紹概念。等離子體（plasma）也被翻譯為電漿（台灣等地區習慣使用），被稱為固、液、氣以外的物質第四態。物質由分子構成，分子由原子構成，原子包含原子核和電子，固、液、氣態是由分子間的距離決定的；而當物質被加熱到足夠溫度、或受其他因素影響，原子中帶負電的電子脫離了原子核的束縛，就可能形成失去電子的正離子、附著電子的負離子和帶負電的自由電子，也就是發生了電離；電離後正負離子混合、無規運動並碰撞，就被稱為等離子體；等離子體仍然是電中性的。在宇宙空間中，一來眾多恆星等高溫星球不斷加熱物質產生等離子體（比如我們的太陽），二來無邊無際的低密度空間給了離子自由運動足夠的距離，不會因為碰撞過於頻繁而充分複合變回中性粒子，還有些其他因素，因此空間中處處存在著大量的等離子體。
圖2 卡通圖：物質狀態 概念很枯燥，我們就從光劍說起，來簡單談一談空間中的等離子體。
磁約束的光劍劍身
光劍由劍柄和劍身組成，劍身是由一團等離子體被很強的磁場束縛成的劍的形狀，從劍柄釋放出的能量能折回劍柄。為什麼可以用磁場為等離子體「塑形」呢？由於等離子由不斷運動的、帶電荷的離子和電子組成，帶電粒子在磁場中運動時，如果不是平行運動，會由於電磁相互作用而受到改變運動方向的洛倫茲力，如果沒有其他力的作用，會形成不斷旋轉的螺旋線運動，在很強的磁場內，就會將帶電粒子約束在一定範圍內。另一方面，由於相似的原理，如果一團等離子體有很強的運動，如果沒有外力因素，其中的磁場也沒有辦法離開等離子體（否則會因為電磁作用產生極大的電流併產生阻礙運動的力），這樣就稱為磁凍結。
在空間當中，等離子體與磁場也是密不可分。太陽的大氣（日冕）就處於等離子體狀態，而太陽擁有很強的磁場，我們有時會聽說一個名詞——「黑子」，它就是太陽上磁場非常強的區域。在太陽大氣常可看到火熱的等離子體環，也就是日珥，它就是被磁場束縛住的、沿著磁力線成為環狀的，這與電影中光劍的「塑形」異曲同工。同時，太陽的等離子體也不斷的湧向廣闊空洞的宇宙空間，其中也「凍結」著太陽的磁場。我們的地球也有很強的磁場，這些來自太陽的等離子體到達地球附近時，地球的磁場與凍結的太陽磁場作用，就把這些等離子體攔住了——要知道，這樣高能量、高速度、高密度的等離子體，對我們生命是有害的。經過種種複雜的過程，太陽來的等離子體也會進入並停留在地球周圍，受到地球磁場的控制形成若干等離子體區域，就稱為地球的磁層，而我們地球大氣電離的等離子體也會外逃到磁層，一同構成地球自己的「光劍」。地球的輻射帶正是由地球磁場束縛形成的高能等離子體區域。而那些沒有留在地球或其他行星的太陽等離子體，就繼續飛向遙遠的太空，直到與其他恆星來的等離子體「短兵相接」。
圖3 太陽磁場束縛等離子體形成日珥
披荊「熱」刃，節能「冷」劍
電影中的光劍只有在劍刃切穿物體的時候才會消耗能量，是無堅不摧的「熱」刃；沒有接觸物體時不會釋放熱量，所以平時是一把「冷」劍。這在目前來說還是電影的「黑科技」，不過空間當中的等離子體確實有「冷」有「熱」。「溫度」是物體分子熱運動的劇烈程度，分子運動速度快，溫度就高。等離子體是由離子和電子組成的，它們的速度也決定了等離子體的溫度，分為高溫等離子體和低溫等離子體。同時，等離子體的離子和電子的質量相差上千倍，有時離子和電子可以有不同的速度，也就有不同的溫度，如果它們溫度相同稱為熱等離子體，否則稱為冷等離子體。
宇宙空間中的溫度天差地別，等離子體也隨之不同。太陽大氣可以達到上百萬度的高溫，它的等離子體是「熱」的。地球磁層高能量的等離子體主要集中在「輻射帶」，而地球附近更加廣闊的空間中存在大量「冷」等離子體，組成了「等離子體層」。到了地球的電離層，等離子體溫度更低，大多不會超過上千度。另外一點，即使等離子體有相當高的能量，如果密度很低，也很難由碰撞傳遞熱量，感覺上仍然是「冷」的，這種既「冷」又「熱」與電影中的光劍有幾分相同點，而這樣的等離子體在宇宙中數不勝數。除了廣闊宇宙中低密度的等離子體，在電離層中，雖然大氣的密度並不低（相比宇宙空間），但這裡以中性大氣為主，太陽輻射電離產生的等離子體密度也是相當低的。
圖4 （左）太陽等離子體流向地球磁場；（右）示意圖：近地空間等離子體區域
什麼都能切割，但不能切開另一把光劍（磁場）
星戰中的人們為什麼都夢寐以求一把光劍？因為光劍實在是無堅不摧，沒有切不斷的物體，除了另一把光劍。真實當中的等離子體技術當然沒有這麼厲害，不過等離子體機械加工（焊接、切削等）、冶金、化工、表面處理等工藝，已經廣泛應用在我們當今社會，是新興的並且非常有前途的工業技術。空間中的等離子體往往沒有這樣的施展空間，但是有另一種「切割」，在宇宙空間中隨處可見——等離子體與磁重聯。就像前面所說，如果磁場方向相反，磁凍結的等離子體不能橫越磁力線，但當我們將磁場假想為一條條磁力線，方向相反的兩條磁力線都從中斷開，交叉重新連接——其實是磁場這種空間中的場的重構——這樣就能實現等離子體的交換，也就是發生了磁重聯。話說，光劍能夠對砍，也許是因為光劍等離子體不能橫越彼此的磁力線？！那麼絕地大師也許可以創立不能招架的磁重聯劍法！（趕快給編劇寫信去！）
宇宙空間中的很多現象都可以用磁重聯是解釋，現在這一理論得到了廣泛認可。太陽的日冕物質拋射（大規模的太陽等離子體向宇宙噴發）有很多理論解釋，很多理論中都用到了磁重聯；磁重聯是目前解釋太陽等離子體進入地球磁層的主流理論，理論認為太陽風等中的磁場與地球向陽面的磁場重聯，磁力線帶著等離子體一起到達地球背面的遠處，再發生重聯，使得一部分等離子體進入到近地空間；在地球較近的磁重聯可能使得等離子體獲得較大速度流向地球，沿著磁力線從夜晚側的地球極區沖入地球大氣（因為地球像一個大磁鐵棒，磁鐵上南下北，或者說是一個倒著指的指南針，所以地球極區是地球磁力線的出發點和匯聚點），還會引起地球磁場的劇烈變化。像這樣，空間中無色無形的磁場，就如同被「光劍」切開一樣，不斷切割、重聯，帶來各種空間現象。此外，空間中還存在著「切割」磁力線的等離子體流動，例如電離層中，等離子體被大氣的風帶著跑，橫穿地球磁力線，就會產生各種各樣的效應。
圖5 （上左）能夠招架光劍的是另一把光劍；（上右）磁重聯示意圖；（下）近地空間磁重聯示意圖
（圖的共同點：都擁有X型結構-_-b）
五顏六色的光劍
很多人好奇電影中的光劍為什麼五顏六色，官方也有一些解釋。光劍的核心元件是其中的光劍水晶，這是一種天然的礦物，劍刃的顏色基本由水晶的特性決定。絕地武士都使用天然的水晶，有綠色、藍色、黃色等顏色，也有少量天然的紅色。我們看到電影里邪惡的西斯武士使用的光劍都是紅色，因為他們會對水晶進行加工，比如多塊水晶熔合而成，加工中注入黑暗原力，最後水晶會發出紅色的光。而真實當中等離子體的顏色，是等離子體中處於激發態的分子或原子的電子躍遷時發出特定波長的光決定的。至於「等離子電視」，則是氙氖混合的等離子體發出X射線撞擊顯示格的熒光粉發出有顏色的光，完全是另一回事了。
大部分人其實對與一種等離子體相關的大氣中的發光現象並不陌生——也就是極光。前面說到，在地球夜晚側的極區，帶有能量的等離子體會從宇宙空間中下降到地球大氣中，而大氣成分受其激發，隨後電子躍遷發光，就會產生五顏六色的極光，比電影中的光劍更為奪目。其實來自太陽的等離子體可以從地球白天側的極區直接進入地球大氣，但白天陽光亮度大，不易觀察。另一方面，地球高層大氣還存在著不被人廣泛熟悉的發光現象——氣輝。地球大氣成分在太陽輻射作用下達到高能態，躍遷時會發出較弱的輝光，這種輝光較難看到，基本是使用儀器探測。
圖6 （上）不同顏色的光劍；（中和下）實拍：南極極光（南極科考隊劉楊於2015年拍攝）
篇幅有限，這裡僅僅對一部分的空間等離子體特性作了簡短的介紹。如有不確，還請指正。想要進一步了解空間等離子體，相關書籍也非常多。最後，May the force be with you！
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