国防科普加油站(13)等离子体：神秘的第四种物质存在形态

还记得前两年热播的国产科幻电影《流浪地球》吗？

这部影片根据作家刘慈欣同名小说改编，影片设定在2075年，以太阳内核急速老化不断膨胀即将吞没地球为时代背景。为了逃脱被太阳吞噬的灾难性后果，人类开启“流浪地球”计划，试图带着地球一起逃离太阳系，将其迁移到距离太阳系最近的比邻星系，成为其中的一颗卫星。

人类举全球之力，在亚洲和美洲大陆上修建了1万2千台地球发动机。这种高达11000米的地球发动机的基本原理是：以岩石为燃料，利用岩石中的硅等重元素进行核聚变反应，从而产生高温高压高能的等离子体流，通过等离子体流喷射产生的巨大反作用力，推动地球迁徙，寻找新的家园。电影画面中，等离子体流沿着上万台地球发动机喷口喷喷涌而出，直插天际，形成一根根蓝白色的巨型光柱，场面十分壮观，极具视觉冲击力。等离子体流无疑成为了影片中拯救人类的一大“功臣”。

科幻电影只是一种艺术呈现，地球发动机能否在未来成为现实，还有诸多需要探索和破解的科学问题，但等离子体却是一种客观存在，并与人类生产生活密切相关。现在，让我们揭开它的神秘面纱。

“超级大户”主宰宇宙

提起“等离子体”这个名字，是不是感觉有点“高大上”？它，含有的正负电荷总量相等，是一种电离了的气体。在自然界中，固态、液态、气态，是物质存在的3种形式，而等离子体则是有别于这3种形态的第4种基本形态。

那么，等离子体是怎样产生的呢？等离子体又称为“电浆”或“离子浆”，是由大量正离子、负离子、电子、自由基和各种活性基团等带电粒子构成的电中性集合体。由于这种“电浆”中的正负电荷总量相等，所以叫做“等离子体”。美丽多彩的霓虹灯、炽热的火焰、光辉夺目的闪电以及绚烂壮观的极光，都是等离子体现象。电影中上万台地球发动机喷口喷射出蓝白色强光，形成的一根根巨型光柱，就是在核聚变形成的高能量密度物理条件下产生的高温等离子体流。

在地球上，等离子体物质远比固体、液体、气体物质少。然而，在整个宇宙中，等离子体占据着99%以上的物质总量，广泛存在于星际空间、恒星内部、地球电离层等自然环境中，是物质存在的主要形式，几乎主宰着整个宇宙。

地球上的等离子体，虽然比固体、液体、气体物质少，却容易人工制造。目前，较为成熟的等离子体产生方法，是将普通气体用射线辐照、加热到足够高的温度或加强电磁场，使得气体原子的外层电子由于运动加速或受力，而脱离原子成为自由电子。这样，原来的中性气体因电离，就变成了由带正电的离子、带负电的电子以及部分未电离的原子组成的一团均匀的“浆糊”，即“电浆”，这团“浆糊”就是正负电荷总量相等的等离子体。比如，在化工、能源、材料和冶金等领域常见的电晕、辉光以及电弧等放电反应，均会产生等离子体。

特性神奇与众不同

以物质第4种形态存在的等离子体，与固体、液体、气体等普通物质相比，有着与众不同的神奇特性。主要体现在以下3个方面：

参数范围很大。等离子体的参数可以在数个数量级之间变化。例如，它的温度可以跨越7个数量级，密度跨越更是达到约25个数量级。在这么大的参数范围内，等离子体的物理性质都会显现，尽管它有几个数量级的数值范围，但性质相似。

具有集体效应。等离子体具有很强的“集体主义”和注重协调一致的“团队精神”，这是它和其他物态的根本区别。普通物质由不带电的分子构成，分子间的作用力来源于分子的直接碰撞。而等离子体由带电粒子构成，带电粒子之间有长程的电磁相互作用力。带电粒子运动时，可通过长程力联系起来，引起正电荷或负电荷的局部分布，形成一个个小“团体”，从而增强了“行动”的协调性和统一性，极大提高其“战斗力”，内部也因此存在多种集体振荡模式。

能够局域带电。等离子体虽然在整体上是电中性的，但是由于集体效应形成电荷的局部分布，它在空间小尺度上是带电的，具有微观电磁场。其内部的微观电磁场会影响带电粒子的运动，并伴有极强的热辐射和热传导。而等离子体与电磁场又存在极强的耦合作用，因而具有很高的电导率，内部存在多种集体振荡模式，能被磁场约束作回旋运动。一些等离子体还具有良好的电磁波响应性质。此外，等离子体能以电磁波反射体形式,对电磁波产生干扰作用，使电磁波往返途径弯曲。

由此可见，以物质第4种形态存在的等离子体拥有优良的电磁性质。

军事应用潜力惊人

等离子体具有优良的电磁性质，这就决定了它具有极高的应用价值，其相关技术和工艺被广泛应用于照明、显示、医疗、喷涂、通信及半导体器件制造等行业中。在国防和军事领域，它更是有着极大的应用前景，甚至是一种重要的国防资源。

近地空间等离子体环境数据应用广阔。当今世界，近地空间在军事领域中的地位和作用日益显现，成为各主要军事强国纷纷争夺的新高地。目前，几乎所有的洲际弹道导弹和潜射弹道导弹以及全球40%的航天飞行器，都运行于近地空间。地球电离层等离子体以及日地空间中的等离子体状态，对于航天器及导弹的正常飞行有重大的影响。比如，空间磁暴和地球电离层扰动，会干扰电磁波传播和远距离微波通信；太阳活动引起的地磁风暴，能够致盲航天器上的传感器并干扰机载电子设备；日冕物质抛射或由太阳耀斑加速的高能粒子，可破坏航天器电子设备，甚至对宇航员的健康与生命安全造成威胁。人类要利用好近地空间，就必须以空间和地面观测数据为基础，对日地空间及电离层的等离子体形态结构建立数值模型，研究并预测近地空间等离子体环境特性及变化规律，以保护通信导航、卫星、航天器等系统的正常运行，提高近地空间的管控和开发水平。

激光等离子体加速器潜能巨大。与传统加速器技术相比，激光等离子体加速器的加速梯度能够提高上千倍，可以在厘米尺度上把带电粒子加速到10亿电子伏的高能量，具有小型化、低成本的独特优势。加速器技术在国防工业等领域具有广泛而深入的应用。激光等离子体加速器与微型波荡器的结合，能够有效产生高亮度的X射线、γ射线、太赫兹等多种辐射，具有小型化、波段宽、亮度高的优点，可以应用于惯性约束核聚变中的靶丸状态诊断、库存武器无损检测和爆炸物鉴别。

等离子体隐身技术性能优越。利用等离子体发生器，在飞机表面形成一层等离子云，设计等离子体的能量、电离度、振荡频率和碰撞频率等特征参数，使照射到等离子云上的雷达波一部分被吸收，一部分改变传播方向，回波被有效减少，雷达难以探测，以达到隐身的目的。还能通过改变反射信号的路径，使敌方雷达测出错误的飞机位置和大小而迷惑敌人。与吸波材料等隐身技术相比，等离子体隐身技术具有吸收频带宽、隐身效果好、无需改变飞行器外形等优点。据报道，采用该技术的飞行器被敌方发现的概率可降低99%。

此外，利用等离子体替代金属可实现无线电信号的发射与接收，形成一种气态可重构天线技术。这种等离子体天线，即使在工作状态也不会反射普通的雷达波，它的宽带和可重构性能特别适用于扩频、跳频等主动隐身技术。而高压脉冲等离子体天线能够实现大功率输出，可解决目前微波天线设计中的大功率问题，同时具有抗干扰能力强、容易操控、结构轻巧等优点。（作者：王握文、钟鸣、雷雯 来源：国防科技大学“科普中国”共建基地）

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