神秘而強大的第四種物質狀態
撰文：Luca Comisso
小學時，我的老師告訴我，物質存在三種可能的狀態：固態、液態和氣態。但其實，她沒有提及的是一種特殊的電化氣體——等離子體，這是第四種特別重要的物質狀態。之所以我們較少提及，是因為在生活中我們很少遇到天然的等離子體，除非你有幸看到過北極光，或者是通過特殊的濾鏡來觀察太陽，又或是像我小時候那樣——喜歡在雷雨天將頭伸出窗外。然而，在日常生活中是稀缺品的等離子體，卻佔據了宇宙中可觀測物質的99％以上（如果我們忽略暗物質的話）。等離子體物理學是一個豐富而多樣的探究領域，與它相關的研究主要是由其在現實世界中的應用所推動的。
那麼首先，我們要如何才能製造出等離子體呢？想像一下，加熱一個裝滿冰塊的容器，並觀察它從固體、到液體、再到氣體的過程。隨著溫度的升高，水分子的運動會變得更加劇烈，並能越來越自由地移動。如果溫度繼續上升到12,000攝氏度，原子將開始分裂。電子將從原子核中剝離，留下的是被稱為離子的帶電粒子，它們會盤旋在產生的電子湯中。這便是等離子狀態。
○ 常見的物質相有氣體、液體和固體（中間三個），在高溫中則有等離子體（最上），而在低溫狀態下，物質會呈現出我們從未見過的相。最下面顯示的是量子凝聚。| 圖片來源：Johan Jarnestad
在英文中，血漿和物理中的等離子體是同一個單詞——plasma，這二者之間的聯繫不僅僅是種巧合。1927年，美國化學家Irving Langmuir觀察到，等離子體攜帶電子、離子、分子和其他雜質的方式與血漿對紅細胞、白細胞和細菌的運輸過程類似。Langmuir是等離子體研究的先驅；他與同事Lewi Tonks一起，還發現了等離子體是由粒子的集體行為造成的電子快速振蕩所描繪。
等離子體的另一個有趣特性是，它們具有支撐磁流波（hydromagnetic wave）的能力。磁流波是沿著磁場線穿過等離子體的凸起，類似於沿吉他弦傳播的振動。1942年，瑞典科學家Hannes Alfvén（並最終獲諾貝爾獎）首次提出了這種波的存在，但當時的物理界對此持有懷疑態度。後來，Alfvén在芝加哥大學進行了一場演講，在演講結束後，著名的物理學家費米（Enrico Fermi）上前與他討論這個理論，並認可地說道：「這種波當然可能存在！」從那一刻起，科學界的共識就變成了Alfvén絕對是正確的。
當代等離子科學的最大前景之一是受控熱核聚變，它指的是當原子合併在一起時釋放出強烈但可控的能量爆發，這幾乎能源源不斷地提供安全、「綠色」的能源，但這並非一件容易的事。在聚變出現在地球上之前，等離子體必須加熱到超過1億攝氏度的溫度，這一溫度比太陽的核心還要高10倍！但這並不是最複雜的一點，在20世紀90年代，我們就能達到並超過這一溫度；更棘手的問題是，熱等離子體非常不穩定，且不喜歡待在一個固定的體積內，這就意味著它難以被控制和利用。
我們對實現受控熱核聚變的嘗試可追溯到20世紀50年代初。當時，美國、蘇聯還有英國都在悄悄地進行這項研究。在美國，普林斯頓大學是這項研究的支柱。在那裡，物理學家Lyman Spitzer啟動了馬特洪計劃，一群科學家秘密地在一個名為「仿星器」的8字形設備中，試圖對聚變進行引發和控制。那時的他們沒有電腦，只能依靠筆來進行計算。雖然他們沒有解決這個難題，但卻最終發展了「能量原理」，這一原理至今仍是測試等離子體穩定性的有效方法。
○ 左：托卡馬克；右：仿星器。| 圖片來源：Economist.com
與此同時，蘇聯的科學家正在研發一種不同的裝置，名為「托卡馬克」。這台由物理學家Andrei Sakharov和Igor Tamm設計的機器利用強大的磁場，將熱等離子體變成甜甜圈的形狀。托卡馬克能夠更好地維持等離子體的高溫和穩定，直到今天，大多數聚變研究項目都是依賴於托卡馬克的設計。為了實現這一目標，中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國已經聯合起來，要共同建立一個世界上最大的托卡馬克反應堆，這一計劃預計能在2025年建成。不過近年來，科學家對仿星器的熱情也再次被點燃，最大規模的一次始於2015年的德國。從兩條不同的路徑進行探索，或許是實現聚變的最優策略。
此外，來自太陽上層大氣產生的超高速太陽風，會將等離子體攜帶到地球周圍，因此等離子體也與地球周圍空間里的物理糾纏在一起。幸運的是，地球的磁場能使我們遠離這些帶電的等離子體粒子以及來自太陽風輻射的傷害；但我們的衛星、航天器和宇航員卻都暴露在外。要讓它們能在這種充滿敵意的環境中生存，還需依賴於我們對等離子體的理解和調節。
○ 通過太陽風到達地球周圍的等離子體。| 圖片來源：ESA/NASA/SOHO/LASCO/EIT
在一個新的被稱為「空間天氣」的研究領域中，等離子體物理所扮演的角色與流體力學在地面大氣環境下所起的作用類似。我將大部分精力都投入到了對磁重聯的研究，即等離子體中的磁場線可被撕裂也可被重新連接，從而導致能量的快速釋放。這一過程被認為是太陽的一系列爆發事件（比如太陽耀斑）背後的動力，不過對此，我們仍缺乏詳細的理解。未來，我們或許可以採用預測城市惡劣天氣的方法，來預測太陽風暴。
追溯時空的過往，我希望等離子體物理學能為恆星、星系和星系團的最初形成提供新的見解。根據宇宙學標準模型，等離子體在宇宙早期幾乎無處不在；之後當一切都開始冷卻，帶電的電子和質子結合在一起形成了電中性的氫原子。這種狀態一直持續到第一批恆星和黑洞形成並開始釋放輻射，這時宇宙被「再電離」，回到大部分都為等離子體的狀態。
最後，等離子體有助於我們解釋那些在宇宙最遠處觀測到的一些極為壯觀的現象。就拿遙遠的黑洞來說，我們對這種密度極其緻密、即使光也無法從中逃脫的大質量天體幾乎無法進行直接觀察。然而，通常來說黑洞外有一圈旋轉的等離子體物質盤，它們在黑洞的引力下繞其旋轉，並發射可在X射線波段中觀測到的高能光子，為我們揭示了這種極端環境中的某些信息。
於我而言，從認為物質的類型只有固體、液體和氣體開始到現在，我經歷了一段激動人心的旅程。看起來，等離子體仍頗具奇異性，但當我們學著去開拓它們的潛力以及拓寬我們對宇宙的視野時，或許有一天，我們會覺得它們就如同冰和水一樣普通。而且如果一旦我們實現了受控核聚變，等離子體或許將成為我們生活中不可或缺的東西。
譯：二宗主
原文標題為「Plasma, the mysterious (and powerful) fourth phase of matter」，首發於2018年6月26日的AEON。原文鏈接：https://aeon.co/ideas/plasma-the-mysterious-and-powerful-fourth-phase-of-matter。中文內容略有刪減，僅供參考，一切內容以英文原版為準。
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