先來看一個(gè)好玩的東西。
它的主體是一個(gè)密閉的玻璃球，里面裝了某種低壓的惰性氣體，球中央是一個(gè)高壓電極。通電后，內(nèi)部氣體因?yàn)楦邏憾a(chǎn)生放電火花，形成一條條有顏色的光線，形成一個(gè)“球狀閃電”。
當(dāng)你將手放在球上時(shí)，這些彩色的閃電會(huì)往手的位置集中。更有趣的是，它還能讓靠近的熒光燈亮起來！
閃電？難道這與地球上的閃電有關(guān)嗎？
沒錯(cuò)，不光是閃電，極光也與之關(guān)系密切。
閃電，就像擁有超級(jí)力量的王者一樣，雖只那么一瞬間，卻已讓人不寒而栗。
而極光看起來雖較為平緩溫和，但卻又如此難得，除非在那些特定的地方。
然而，它們所對(duì)應(yīng)的物質(zhì)形態(tài)相同。不光它們，那將地球磁場吹得變形的太陽風(fēng)，
還有那些夜市的霓虹燈中的發(fā)光物質(zhì)，也皆與之同類。
當(dāng)然還包含最前面那個(gè)好玩的東西，它叫“等離子體球”。
是的，它們都是等離子體，即 Plasma。
那么，什么是等離子體呢？
物質(zhì)除了固體、液體和氣體之外，還有第四態(tài)，它就是等離子體。
物質(zhì)之所以從固體變?yōu)橐后w，由液體變?yōu)闅怏w，是由溫度升高導(dǎo)致的。同樣，氣體到等離子體也是由溫度升高所導(dǎo)致的。
隨著溫度升高，分子、原子和電子的動(dòng)能增大。當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，電子的動(dòng)能大到失去控制，它要自由，分子和原子都扛不住了，只好讓電子離去。于是部分物質(zhì)結(jié)構(gòu)坍塌，變成由分子、自由電子和正離子構(gòu)成的物質(zhì)形態(tài)。
從上述說法中，可以看到，等離子體實(shí)際上也是一種高溫氣體。只是與一般的氣體不同的是，它包含自由電子和正離子。
那么有人就會(huì)問：是不是只要擁有電子和正離子的氣體就算等離子體呢？
非也！只有當(dāng)所含的帶電粒子的濃度較高時(shí)，才算是等離子體。例如一個(gè)常見的問題：火焰是不是等離子體？正確的回答是：一般的火焰是只一種高溫氣體，不是等離子體，但若火焰中的帶電粒子濃度較高時(shí)，火焰就是等離子體。
不過，到底含自由電子濃度多高才算是等離子體？
要回答這個(gè)問題，得從等離子體的宏觀電中性說起。
等離子體雖然包含正負(fù)電荷，但總體上是電中性的。這一點(diǎn)決定了，等離子體內(nèi)的電荷必須足夠多。因?yàn)橹挥羞@樣，才可以保證任何地方即使出現(xiàn)了電荷的集中，馬上可以從別處調(diào)集相反電荷過來平衡，以使該處保持為電中性。
處于電中性的等離子體內(nèi)部不可能出現(xiàn)電場。其實(shí)這一點(diǎn)也可以從導(dǎo)體的性質(zhì)來說明：導(dǎo)體總是具有足夠的自由電荷以屏蔽外場。而對(duì)等離子來說，它體內(nèi)的電子就是自由的，因此等離子體是非常優(yōu)良的導(dǎo)體。根據(jù)導(dǎo)體的靜電平衡條件，其內(nèi)部不可能出現(xiàn)電場。
所以，具有宏觀電中性是等離子體最重要的特征。
假設(shè)在等離子體內(nèi)放置一個(gè)帶正電的帶電體，既然等離子體是優(yōu)良的導(dǎo)體，為了維持內(nèi)部電場為零，必然有足夠多的電子跑過來圍在帶電體周圍 —— 就像導(dǎo)體的靜電感應(yīng)一樣。
但與靜電感應(yīng)不同的是，由于熱運(yùn)動(dòng)過于強(qiáng)烈，這些電子并不是像普通的導(dǎo)體的靜電平衡那樣處在薄薄的一層上，它們?cè)诘入x子體內(nèi)形成的電荷層是有一定的厚度的。
在這個(gè)電荷層內(nèi)，等離子體物質(zhì)受到電場的影響。但在此范圍之外，電場被屏蔽了，這就是等離子體的屏蔽作用，它使等離子體免受外電場的影響，電中性得以維持。
這個(gè)電子層的厚度叫屏蔽距離。德國的物理學(xué)家德拜指出，屏蔽距離滿足
式中 為電子數(shù)密度， 為等電子的溫度。 可以看到，不同的電子濃度和不同的溫度下，屏蔽距離是不同的。
這個(gè)屏蔽距離有何用呢？
很顯然，若某被電離的氣體的空間范圍遠(yuǎn)比屏蔽距離大，那么大部分電離氣體能有效的維持宏觀的電中性。
基于這一點(diǎn)，德拜提出等離子體的判定條件：尺寸遠(yuǎn)大于屏蔽距離的電離氣體可以看作是等離子體。
有了這個(gè)公式，關(guān)于是否是等離子的爭論可以休矣！一切以計(jì)算結(jié)果為準(zhǔn)。為什么一般蠟燭的火焰不是等離子體？因?yàn)樗膸щ娏Ｗ拥臐舛炔粔蚋撸云帘尉嚯x太大，超過了火焰本身的尺寸。
知道了什么是等離子體，再來聊聊它的一些特點(diǎn)。
首先來看等離子體的溫度。
等離子體的溫度有高有底，高的如聚變反應(yīng)中的等離子體物質(zhì)，它的溫度高達(dá)上億 K；低的如磁流體發(fā)電機(jī)中的等離子體物質(zhì)，它的溫度通常在幾千到幾萬 K。不過比起日常溫度來說，這些都是很高的。
用作霓虹燈的氖或氬的等離子體中電子的溫度高達(dá) 2 萬攝氏度。這一點(diǎn)似乎違反生活經(jīng)驗(yàn)：兩萬度？燈管還能存在，并且摸起來還是冷的？為什么呢？
簡單的說，因?yàn)檫@個(gè)溫度只是等離子體中電子的溫度，陽離子和分子的溫度比這個(gè)低多了！所以燈管內(nèi)的等離子體并不是很“熱”，正因?yàn)檫@樣，那裝著等離子體的燈管才不會(huì)被燒壞。
為什么會(huì)有兩個(gè)溫度？
因?yàn)殡娮拥馁|(zhì)量很小，它與陽離子和分子之間的碰撞就像是乒乓球碰鉛球一樣，是完全彈性的，彼此之間沒有能量交換，因此電子不能與整個(gè)等離子體達(dá)到熱平衡。
再來看等離子體與磁場的相互作用。
因?yàn)楹写罅康淖杂呻娮雍完栯x子，等離子體是非常優(yōu)良的導(dǎo)體。按前面所講，這使得等離子體內(nèi)部沒有電場，但磁場可以有??！
然而，磁場要受到限制，因?yàn)椤半妶鰹榱恪边@一點(diǎn)對(duì)磁場產(chǎn)生了一種嚴(yán)格的約束，那就是：磁場不能變！
為什么呢？因?yàn)楦鶕?jù)電磁感應(yīng)的規(guī)律，變化的磁場會(huì)產(chǎn)生電場，既然不允許電場存在，那只有讓磁場保持不變了！
因此，等離子體內(nèi)如果沒有磁場，那就一直沒有磁場；若等離子體內(nèi)有磁場，那就一直維持同樣的磁場。這就是等離子體內(nèi)的磁場凍結(jié)。
你可能會(huì)感到奇怪：這種凍結(jié)的效果是如何達(dá)到的呢？
等離子體內(nèi)有大量的自由電荷，當(dāng)?shù)入x子體內(nèi)的磁場剛一變化，感生電流馬上就產(chǎn)生了，根據(jù)楞次定律，這個(gè)感生電流的磁場總是抵消原磁場的變化。磁場凍結(jié)就這樣產(chǎn)生了。
那么，磁場凍結(jié)會(huì)帶來什么后果呢？
我們知道，磁場在空間中的分布用磁感應(yīng)線描繪。既然等離子體內(nèi)的磁場不變，那就意味著等離子體內(nèi)的磁感應(yīng)線不變！所以，當(dāng)?shù)入x子體在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)，它會(huì)帶著體內(nèi)的那些磁感應(yīng)線一起運(yùn)動(dòng)，如下圖所示。
一個(gè)體內(nèi)沒有磁場的等離子體進(jìn)入磁場時(shí)，因?yàn)樗冀K保持內(nèi)部磁場為零，它就會(huì)擠壓磁感應(yīng)線，如下圖所示。
太陽風(fēng)發(fā)出的就是大量的帶電粒子，也就是等離子體，當(dāng)它們吹向地球時(shí)導(dǎo)致地球的磁場變形了，在靠近太陽的一側(cè)，地磁場被壓縮，而遠(yuǎn)離太陽的一側(cè)，地球磁場延伸達(dá)幾十萬公里。
其實(shí)等離子的特性遠(yuǎn)不止這些，它所涉及的東西太多了。正因?yàn)槿绱耍蟼€(gè)世紀(jì) 20 年代之后，等離子體物理成為一門獨(dú)立學(xué)科，以研究等離子體的形成、性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
一般來說，等離子體物理的研究方法大致有三種。
第一是研究帶電粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，這方面其實(shí)高中物理中就涉及了 ——“帶電粒子在電磁場中的運(yùn)動(dòng)”。
第二種是磁流體力學(xué)，將等離子體當(dāng)作一個(gè)整體來研究，它是一種類似于熱力學(xué)的宏觀理論。
第三種就是按照統(tǒng)計(jì)的方法，就像氣體動(dòng)理論那樣，建立等離子體的微觀理論。
這里簡單的提一下磁流體力學(xué)方法。
既然等離子體包含大量的帶電粒子，這些粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)然要受到磁場的作用，這些作用的總和就是磁場對(duì)等離子體的作用。
通常，為了研究等離子體在磁場中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，人們將等離子體看作一種流體，建立磁流體力學(xué)方程組。不過由于它太復(fù)雜，這里就不列出了，有興趣可參考相關(guān)資料。
一方面，根據(jù)質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒分別得到流體的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程（牛頓方程）和絕熱方程。同時(shí)，既然涉及電磁場理論，那就再結(jié)合麥克斯韋方程組。這樣一來就得到磁流體力學(xué)方程組。
那么，自然界中有哪些等離子體呢？
最容易想到的是地球上空的電離層。因受太陽以及宇宙線輻射，地球上空 60 千米以上的整個(gè)地球大氣層處于部分電離或完全電離的狀態(tài)，形成了一個(gè)電離區(qū)域。它能使無線電波發(fā)生折射、反射和散射，對(duì)無線電通訊、廣播、無線電導(dǎo)航、雷達(dá)定位等至關(guān)重要。
再就是閃電，由于空氣分子被電離形成了等離子體，具有良好的導(dǎo)電性，所以導(dǎo)致一種猛烈的放電現(xiàn)象。
至于極光，它其實(shí)也是一種大規(guī)模的放電現(xiàn)象。當(dāng)太陽風(fēng)這種高溫?zé)霟岬膸щ娏Ｗ恿髟诖迪虻厍驎r(shí)，帶電粒子被磁場捕獲，與大氣分子發(fā)生碰撞導(dǎo)致發(fā)光，形成絢麗無比的極光現(xiàn)象。
除此之外，還有各種人造等離子體。
如果舉例的話，最典型的是熱核聚變中的物質(zhì)，它的溫度高達(dá)上億度，物質(zhì)都處于電離狀態(tài)，成為等離子體。所以，等離子體研究成為受控?zé)岷司圩兊年P(guān)鍵問題。
還有本文開頭提到的那個(gè)神奇的等離子體球，它也是利用等離子體物質(zhì) —— 放電的氣體來工作的。它源于尼古拉?特斯拉最先發(fā)明的“惰性氣體放電管”，后來由一位來自麻省理工學(xué)院的學(xué)生比爾?帕克改造為現(xiàn)在的樣子，所以也叫“特斯拉球”。
此外，各種照明燈中，等離子體被廣泛應(yīng)用，例如氖或氬的等離子體常用于霓虹燈。另外，有的火焰也可看作等離子體。
值得指出的是，還有一種叫“夸克膠子等離子體”人造物質(zhì)?？茖W(xué)家利用相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)（RHIC）制造出了這種物質(zhì)。它是一種全新的物質(zhì)形態(tài)，曾廣泛存在于宇宙誕生后的百萬分之幾秒內(nèi)。
還有呢？想想，宇宙中還有哪些地方有等離子體物質(zhì)呢？
太陽系中最大規(guī)模的等離子體當(dāng)然是太陽了，因?yàn)樗旧砭驮诓粩嗟倪M(jìn)行著熱核聚變反應(yīng)，它的內(nèi)部溫度高達(dá)一千五百萬度，物質(zhì)都處于電離狀態(tài)。連它噴射出的物質(zhì)都是等離子體 —— 一種高速帶電粒子流，即太陽風(fēng)。
再遠(yuǎn)點(diǎn)，宇宙中的恒星不都是一顆顆的太陽嗎？是的，它們也都是由等離子體物質(zhì)構(gòu)成的。其實(shí)，不光是恒星，那些巨大的星云和大部分星際物質(zhì)也是如此。
實(shí)際上，宇宙可見的質(zhì)量中，99.9% 以上的質(zhì)量都是等離子體！
是的，等離子體才是我們這個(gè)宇宙可見物質(zhì)中的主角。固液氣這三種我們常見的物態(tài)其實(shí)是極少數(shù)，它們只存在于行星和某些星際氣體和塵埃中。
參考文獻(xiàn)
鄭春開，等離子體物理，北京，北京大學(xué)出版社，2009.
張三慧，大學(xué)物理學(xué)-電磁學(xué)第 3 版，北京，清華大學(xué)出版社，2008.
本文來自微信公眾號(hào)：大學(xué)物理學(xué) （ID：wuliboke），作者：薛德堡
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