宇宙物質的主角 ——等離子體

神奇的宇宙構成

在浩瀚無垠的宇宙中，我們看見的滿天星斗，遙遠的、看不見的各種恆星、星系，似乎多到數也數不清。但實際上這些物質天體及星際塵埃，只佔宇宙組成部分的5%都不到，其餘95%以上的是暗物質和暗能量。

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就在這可憐的不到5%的物質中，像地球、火星、金星等固體星星，土星、木星這類氣體星體，這些只佔宇宙物質的1%，其他99%是一種等離子體。

說起等離子體，有些人可能還不太清楚。我上學的時候，老師告訴我，物質有三種狀態：固態、液態和氣態。但是他錯了，根據現在我們對物質的了解，物質至少存在6種狀態，除了上述的三種基本狀態，還有等離子、玻色—愛因斯坦凝聚態和費米子凝聚態。

固態、液態和氣態是我們常見的。其實離子體也不是很神秘，太陽、天狼星等恆星就是等離子體。

處於等離子態的物質都有很高的能量。實際上，宇宙剛被創造的時候，世界就是等離子態的。另外，當溫度接近絕對0度時，物質會呈現出玻色—愛因斯坦凝聚態。在這種狀態下，分子停止了運動，所有的原子聚集到一起，處於相同的量子態（能量相同），成為了一個大原子，我們可以宏觀地看到它們的量子特性（微觀特性）。費米子凝聚態也是物質在低溫時呈現出的一種狀態，但玻色子全部聚集在同一量子態上，費米子則與之相反，更像是「個人主義者」，各自佔據著不同的量子態。

等離子體的真面目

現在我們重點介紹一下物質的第四種狀態——等離子體。

不同的能量水平會造成不同的物質狀態。例如，你有一些固體（比如冰塊），如果加熱它，固體就會熔化，變成液體。如果繼續加熱，液體會慢慢蒸發，轉化為氣體。

如果我們繼續向這種氣體提供能量，當溫度足夠高時，這種氣體將被電離，即外層電子會擺脫原子核的束縛，成為自由電子。這時，物質就變成了由帶正電的原子核、帶負電的電子以及未電離的中性粒子組成的一團均勻的「漿糊」，人們戲稱它為「離子漿」。這些離子漿中正負電荷總量相等，因此，它是近似電中性的，所以就叫等離子體。除了加熱氣體能產生等離子體外，外加電流也可以激發電子擺脫原子核的束縛，產生等離子體。

雖然等離子體來源於氣體的電離，但它的性質與氣體的性質完全不同，因此，等離子體被認為是一種新的物質狀態。例如，兩者的導電性不同，氣體的導電能力非常差，屬於絕緣體。但等離子體包含大量的自由電子，因此，等離子體的導電性極強。

等離子體的導電性體現在閃電中。雷雨天，雲層間的相互摩擦使不同的雲層帶有不同的電，有些帶有大量的正電，有些帶有大量的負電，隨著電荷的積累，空氣被電離形成等離子體，雲層間形成電流的通路。閃電（電流）出現的位置，就是等離子所在的位置。

宇宙中的等離子體

宇宙誕生時的溫度大約為10億度，宇宙處於原子核和電子等粒子交錯亂飛的狀態。這種等離子狀態持續了數十萬年，如果宇宙不膨脹的話，這種等離子狀態可能會一直持續下去。不過，由於宇宙在大爆炸之後繼續膨脹，宇宙的體積隨著膨脹也在增加，能量和物質的密度變低，宇宙整體的溫度下降，宇宙的等離子態結束了。此時，電子和原子核結合形成電中性的氫原子。這種狀態一直持續到第一批恆星和黑洞形成，宇宙再次回到了等離子狀態。這就是為什麼今天宇宙可觀測物質的99%都是等離子體的原因。

恆星就是巨大的等離子球，恆星會在核心進行核聚變反應，核聚變反應產生大量的熱，高溫使恆星處於等離子狀態。如果我們繼續研究等離子體，我們可能會更加理解恆星、星系和星系團的形成。

等離子體能幫助我們更加了解黑洞。黑洞有無限大的密度，吞噬鄰近宇宙區域的所有光線和物質，因此，我們無法對黑洞進行直接觀察。然而，黑洞的附近會有一種圓盤狀的等離子體，等離子體會在黑洞的引力下，圍繞黑洞旋轉，並發射出人類可觀測到的光子。通過觀測等離子體發出的光子，我們可以間接地獲悉黑洞的一些信息，比如黑洞的位置。

人們把太陽活動引起的短時間的變化稱為空間天氣，包括太陽耀斑（太陽大氣層突然爆發，在短時間內向外發射各種電磁輻射的現象，就是太陽耀斑）。空間天氣會影響地球的磁場和大氣層，給人類生活帶來嚴重的危害。而空間天氣受到等離子體的影響，等離子體會與太陽電磁場相互影響，太陽磁場的重新排布會造成太陽耀斑。為了能夠預測空間天氣，我們需要對等離子體進行深入研究。

等離子體的應用

目前，等離子體在我們的生活中有許多的應用，比如熒光燈。熒光燈的燈管中有氬氣和少量的水銀（金屬汞），電流會將燈管中的氣體電離，變成等離子體，這些等離子體再和塗在燈管壁上的熒光劑作用，產生燈光。除了光電製造行業，等離子還被應用於化纖及紡織、汽車製造和塑料橡膠等行業。

等離子體最大的應用前景之一是受控熱核聚變，即在可控制的情況下，使原子融合，並釋放大量的能量。受控熱核聚變可以為我們提供新的可再生能源，但該技術的實現十分困難。首先，等離子體必須被加熱到1億攝氏度，才能發生聚變；其次，熱等離子體非常不穩定，且不喜歡呆在一個固定的位置，難以被控制和利用。

20世紀50年代初，美國、蘇聯和英國開始秘密地研究受控熱核聚變技術。美國的科學家設計出了「仿星器」，仿星器由閉合管和外部線圈組成，線圈通電產生磁場，利用磁場來控制等離子體。蘇聯科學家研究出了「托卡馬克」，托卡馬克由磁體、真空室、線圈等組成。托卡馬克和仿星器一樣，都是磁約束受控熱核聚變裝置。兩種裝置的原理相同，但特點略有不同。托卡馬克在等離子約束方面有一定的優勢，但穩定性較低，發生事故的概率比較大。仿星器穩定性高，但工程難度和資金投入都非常大。當前世界上成功建造大型仿星器的國家只有兩個——日本和德國，最初設計仿星器的美國也沒能建成大型仿星器。目前，大多數的核聚變研究項目都依賴於托卡馬克的設計。

等離子體蘊含著巨大的潛能，能為我們提供源源不斷的能量。隨著研究的深入，未來我們一定能更加了解物質的第四種狀態。

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