宇宙物質(zhì)的主角

思源

神奇的宇宙構(gòu)成

在浩瀚無垠的宇宙中，我們看見的滿天星斗，遙遠(yuǎn)的、看不見的各種恒星、星系，似乎多到數(shù)也數(shù)不清。但實(shí)際上這些物質(zhì)天體及星際塵埃，只占宇宙組成部分的5%都不到，其余95%以上的是暗物質(zhì)和暗能量。

就在這可憐的不到5%的物質(zhì)中，像地球、火星、金星等固體星星，土星、木星這類氣體星體，這些只占宇宙物質(zhì)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(xué)的時(shí)候，老師告訴我，物質(zhì)有三種狀態(tài)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。但是他錯(cuò)了，根據(jù)現(xiàn)在我們對物質(zhì)的了解，物質(zhì)至少存在6種狀態(tài)，除了上述的三種基本狀態(tài)，還有等離子、玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)和費(fèi)米子凝聚態(tài)。

固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)是我們常見的。其實(shí)離子體也不是很神秘，太陽、天狼星等恒星就是等離子體。

處于等離子態(tài)的物質(zhì)都有很高的能量。實(shí)際上，宇宙剛被創(chuàng)造的時(shí)候，世界就是等離子態(tài)的。另外，當(dāng)溫度接近絕對0度時(shí)，物質(zhì)會(huì)呈現(xiàn)出玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)。在這種狀態(tài)下，分子停止了運(yùn)動(dòng)，所有的原子聚集到一起，處于相同的量子態(tài)（能量相同），成為了一個(gè)大原子，我們可以宏觀地看到它們的量子特性（微觀特性）。費(fèi)米子凝聚態(tài)也是物質(zhì)在低溫時(shí)呈現(xiàn)出的一種狀態(tài)，但玻色子全部聚集在同一量子態(tài)上，費(fèi)米子則與之相反，更像是“個(gè)人主義者”，各自占據(jù)著不同的量子態(tài)。

等離子體的真面目

現(xiàn)在我們重點(diǎn)介紹一下物質(zhì)的第四種狀態(tài)——等離子體。

不同的能量水平會(huì)造成不同的物質(zhì)狀態(tài)。例如，你有一些固體（比如冰塊），如果加熱它，固體就會(huì)熔化，變成液體。如果繼續(xù)加熱，液體會(huì)慢慢蒸發(fā)，轉(zhuǎn)化為氣體。

如果我們繼續(xù)向這種氣體提供能量，當(dāng)溫度足夠高時(shí)，這種氣體將被電離，即外層電子會(huì)擺脫原子核的束縛，成為自由電子。這時(shí)，物質(zhì)就變成了由帶正電的原子核、帶負(fù)電的電子以及未電離的中性粒子組成的一團(tuán)均勻的“漿糊”，人們戲稱它為“離子漿”。這些離子漿中正負(fù)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(chǎn)生等離子體外，外加電流也可以激發(fā)電子擺脫原子核的束縛，產(chǎn)生等離子體。

雖然等離子體來源于氣體的電離，但它的性質(zhì)與氣體的性質(zhì)完全不同，因此，等離子體被認(rèn)為是一種新的物質(zhì)狀態(tài)。例如，兩者的導(dǎo)電性不同，氣體的導(dǎo)電能力非常差，屬于絕緣體。但等離子體包含大量的自由電子，因此，等離子體的導(dǎo)電性極強(qiáng)。

等離子體的導(dǎo)電性體現(xiàn)在閃電中。雷雨天，云層間的相互摩擦使不同的云層帶有不同的電，有些帶有大量的正電，有些帶有大量的負(fù)電，隨著電荷的積累，空氣被電離形成等離子體，云層間形成電流的通路。閃電（電流）出現(xiàn)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(shí)的溫度大約為10億度，宇宙處于原子核和電子等粒子交錯(cuò)亂飛的狀態(tài)。這種等離子狀態(tài)持續(xù)了數(shù)十萬年，如果宇宙不膨脹的話，這種等離子狀態(tài)可能會(huì)一直持續(xù)下去。不過，由于宇宙在大爆炸之后繼續(xù)膨脹，宇宙的體積隨著膨脹也在增加，能量和物質(zhì)的密度變低，宇宙整體的溫度下降，宇宙的等離子態(tài)結(jié)束了。此時(shí)，電子和原子核結(jié)合形成電中性的氫原子。這種狀態(tài)一直持續(xù)到第一批恒星和黑洞形成，宇宙再次回到了等離子狀態(tài)。這就是為什么今天宇宙可觀測物質(zhì)的99%都是等離子體的原因。

恒星就是巨大的等離子球，恒星會(huì)在核心進(jìn)行核聚變反應(yīng)，核聚變反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱，高溫使恒星處于等離子狀態(tài)。如果我們繼續(xù)研究等離子體，我們可能會(huì)更加理解恒星、星系和星系團(tuán)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(qū)域的所有光線和物質(zhì)，因此，我們無法對黑洞進(jìn)行直接觀察。然而，黑洞的附近會(huì)有一種圓盤狀的等離子體，等離子體會(huì)在黑洞的引力下，圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)，并發(fā)射出人類可觀測到的光子。通過觀測等離子體發(fā)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(dòng)引起的短時(shí)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(fā)，在短時(shí)間內(nèi)向外發(fā)射各種電磁輻射的現(xiàn)象，就是太陽耀斑）?？臻g天氣會(huì)影響地球的磁場和大氣層，給人類生活帶來嚴(yán)重的危害。而空間天氣受到等離子體的影響，等離子體會(huì)與太陽電磁場相互影響，太陽磁場的重新排布會(huì)造成太陽耀斑。為了能夠預(yù)測空間天氣，我們需要對等離子體進(jìn)行深入研究。

等離子體的應(yīng)用

目前，等離子體在我們的生活中有許多的應(yīng)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(huì)將燈管中的氣體電離，變成等離子體，這些等離子體再和涂在燈管壁上的熒光劑作用，產(chǎn)生燈光。除了光電制造行業(yè)，等離子還被應(yīng)用于化纖及紡織、汽車制造和塑料橡膠等行業(yè)。

等離子體最大的應(yīng)用前景之一是受控?zé)岷司圩?，即在可控制的情況下，使原子融合，并釋放大量的能量。受控?zé)岷司圩兛梢詾槲覀兲峁┬碌目稍偕茉?，但該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)十分困難。首先，等離子體必須被加熱到1億攝氏度，才能發(fā)生聚變;其次，熱等離子體非常不穩(wěn)定，且不喜歡呆在一個(gè)固定的位置，難以被控制和利用。

20世紀(jì)50年代初，美國、蘇聯(lián)和英國開始秘密地研究受控?zé)岷司圩兗夹g(shù)。美國的科學(xué)家設(shè)計(jì)出了“仿星器”，仿星器由閉合管和外部線圈組成，線圈通電產(chǎn)生磁場，利用磁場來控制等離子體。蘇聯(lián)科學(xué)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?zé)岷司圩冄b置。兩種裝置的原理相同，但特點(diǎn)略有不同。托卡馬克在等離子約束方面有一定的優(yōu)勢，但穩(wěn)定性較低，發(fā)生事故的概率比較大。仿星器穩(wěn)定性高，但工程難度和資金投入都非常大。當(dāng)前世界上成功建造大型仿星器的國家只有兩個(gè)——日本和德國，最初設(shè)計(jì)仿星器的美國也沒能建成大型仿星器。目前，大多數(shù)的核聚變研究項(xiàng)目都依賴于托卡馬克的設(shè)計(jì)。

等離子體蘊(yùn)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(zhì)的第四種狀態(tài)。