宇宙物质的主角 ——等离子体

神奇的宇宙构成

在浩瀚无垠的宇宙中，我们看见的满天星斗，遥远的、看不见的各种恒星、星系，似乎多到数也数不清。但实际上这些物质天体及星际尘埃，只占宇宙组成部分的5%都不到，其余95%以上的是暗物质和暗能量。

就在这可怜的不到5%的物质中，像地球、火星、金星等固体星星，土星、木星这类气体星体，这些只占宇宙物质的1%，其他99%是一种等离子体。

说起等离子体，有些人可能还不太清楚。我上学的时候，老师告诉我，物质有三种状态：固态、液态和气态。但是他错了，根据现在我们对物质的了解，物质至少存在6种状态，除了上述的三种基本状态，还有等离子、玻色—爱因斯坦凝聚态和费米子凝聚态。

固态、液态和气态是我们常见的。其实离子体也不是很神秘，太阳、天狼星等恒星就是等离子体。

处于等离子态的物质都有很高的能量。实际上，宇宙刚被创造的时候，世界就是等离子态的。另外，当温度接近绝对0度时，物质会呈现出玻色—爱因斯坦凝聚态。在这种状态下，分子停止了运动，所有的原子聚集到一起，处于相同的量子态(能量相同)，成为了一个大原子，我们可以宏观地看到它们的量子特性(微观特性)。费米子凝聚态也是物质在低温时呈现出的一种状态，但玻色子全部聚集在同一量子态上，费米子则与之相反，更像是“个人主义者”，各自占据着不同的量子态。

等离子体的真面目

现在我们重点介绍一下物质的第四种状态——等离子体。

不同的能量水平会造成不同的物质状态。例如，你有一些固体(比如冰块)，如果加热它，固体就会熔化，变成液体。如果继续加热，液体会慢慢蒸发，转化为气体。

如果我们继续向这种气体提供能量，当温度足够高时，这种气体将被电离，即外层电子会摆脱原子核的束缚，成为自由电子。这时，物质就变成了由带正电的原子核、带负电的电子以及未电离的中性粒子组成的一团均匀的“浆糊”，人们戏称它为“离子浆”。这些离子浆中正负电荷总量相等，因此，它是近似电中性的，所以就叫等离子体。除了加热气体能产生等离子体外，外加电流也可以激发电子摆脱原子核的束缚，产生等离子体。

虽然等离子体来源于气体的电离，但它的性质与气体的性质完全不同，因此，等离子体被认为是一种新的物质状态。例如，两者的导电性不同，气体的导电能力非常差，属于绝缘体。但等离子体包含大量的自由电子，因此，等离子体的导电性极强。

等离子体的导电性体现在闪电中。雷雨天，云层间的相互摩擦使不同的云层带有不同的电，有些带有大量的正电，有些带有大量的负电，随着电荷的积累，空气被电离形成等离子体，云层间形成电流的通路。闪电(电流)出现的位置，就是等离子所在的位置。

宇宙中的等离子体

宇宙诞生时的温度大约为10亿度，宇宙处于原子核和电子等粒子交错乱飞的状态。这种等离子状态持续了数十万年，如果宇宙不膨胀的话，这种等离子状态可能会一直持续下去。不过，由于宇宙在大爆炸之后继续膨胀，宇宙的体积随着膨胀也在增加，能量和物质的密度变低，宇宙整体的温度下降，宇宙的等离子态结束了。此时，电子和原子核结合形成电中性的氢原子。这种状态一直持续到第一批恒星和黑洞形成，宇宙再次回到了等离子状态。这就是为什么今天宇宙可观测物质的99%都是等离子体的原因。

恒星就是巨大的等离子球，恒星会在核心进行核聚变反应，核聚变反应产生大量的热，高温使恒星处于等离子状态。如果我们继续研究等离子体，我们可能会更加理解恒星、星系和星系团的形成。

等离子体能帮助我们更加了解黑洞。黑洞有无限大的密度，吞噬邻近宇宙区域的所有光线和物质，因此，我们无法对黑洞进行直接观察。然而，黑洞的附近会有一种圆盘状的等离子体，等离子体会在黑洞的引力下，围绕黑洞旋转，并发射出人类可观测到的光子。通过观测等离子体发出的光子，我们可以间接地获悉黑洞的一些信息，比如黑洞的位置。

人们把太阳活动引起的短时间的变化称为空间天气，包括太阳耀斑(太阳大气层突然爆发，在短时间内向外发射各种电磁辐射的现象，就是太阳耀斑)。空间天气会影响地球的磁场和大气层，给人类生活带来严重的危害。而空间天气受到等离子体的影响，等离子体会与太阳电磁场相互影响，太阳磁场的重新排布会造成太阳耀斑。为了能够预测空间天气，我们需要对等离子体进行深入研究。

等离子体的应用

目前，等离子体在我们的生活中有许多的应用，比如荧光灯。荧光灯的灯管中有氩气和少量的水银(金属汞)，电流会将灯管中的气体电离，变成等离子体，这些等离子体再和涂在灯管壁上的荧光剂作用，产生灯光。除了光电制造行业，等离子还被应用于化纤及纺织、汽车制造和塑料橡胶等行业。

等离子体最大的应用前景之一是受控热核聚变，即在可控制的情况下，使原子融合，并释放大量的能量。受控热核聚变可以为我们提供新的可再生能源，但该技术的实现十分困难。首先，等离子体必须被加热到1亿摄氏度，才能发生聚变;其次，热等离子体非常不稳定，且不喜欢呆在一个固定的位置，难以被控制和利用。

20世纪50年代初，美国、苏联和英国开始秘密地研究受控热核聚变技术。美国的科学家设计出了“仿星器”，仿星器由闭合管和外部线圈组成，线圈通电产生磁场，利用磁场来控制等离子体。苏联科学家研究出了“托卡马克”，托卡马克由磁体、真空室、线圈等组成。托卡马克和仿星器一样，都是磁约束受控热核聚变装置。两种装置的原理相同，但特点略有不同。托卡马克在等离子约束方面有一定的优势，但稳定性较低，发生事故的概率比较大。仿星器稳定性高，但工程难度和资金投入都非常大。当前世界上成功建造大型仿星器的国家只有两个——日本和德国，最初设计仿星器的美国也没能建成大型仿星器。目前，大多数的核聚变研究项目都依赖于托卡马克的设计。

等离子体蕴含着巨大的潜能，能为我们提供源源不断的能量。随着研究的深入，未来我们一定能更加了解物质的第四种状态。