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　小学时，我的老师告诉我，物质存在三种可能的状态：固态、液态和气态。但其实，她没有提及的是一种特殊的电化气体——等离子体，这是第四种特别重要的物质状态。之所以我们较少提及，是因为在生活中我们很少遇到天然的等离子体，除非你有幸看到过北极光，或者是通过特殊的滤镜来观察太阳，又或是像我小时候那样——喜欢在雷雨天将头伸出窗外。然而，在日常生活中是稀缺品的等离子体，却占据了宇宙中可观测物质的99%以上（如果我们忽略暗物质的话）。等离子体物理学是一个丰富而多样的探究领域，与它相关的研究主要是由其在现实世界中的应用所推动的。

　　那么首先，我们要如何才能制造出等离子体呢？想象一下，加热一个装满冰块的容器，并观察它从固体、到液体、再到气体的过程。随着温度的升高，水分子的运动会变得更加剧烈，并能越来越自由地移动。如果温度继续上升到12，000摄氏度，原子将开始分裂。电子将从原子核中剥离，留下的是被称为离子的带电粒子，它们会盘旋在产生的电子汤中。这便是等离子状态。

　　在英文中，血浆和物理中的等离子体是同一个单词——plasma，这二者之间的联系不仅仅是种巧合。1927年，美国化学家Irving Langmuir观察到，等离子体携带电子、离子、分子和其他杂质的方式与血浆对红细胞、白细胞和细菌的运输过程类似。Langmuir是等离子体研究的先驱；他与同事Lewi Tonks一起，还发现了等离子体是由粒子的集体行为造成的电子快速振荡所描绘。

　　等离子体的另一个有趣特性是，它们具有支撑磁流波（hydromagnetic wave）的能力。磁流波是沿着磁场线穿过等离子体的凸起，类似于沿吉他弦传播的振动。1942年，瑞典科学家Hannes Alfvén（并最终获诺贝尔奖）首次提出了这种波的存在，但当时的物理界对此持有怀疑态度。后来，Alfvén在芝加哥大学进行了一场演讲，在演讲结束后，著名的物理学家费米（Enrico Fermi）上前与他讨论这个理论，并认可地说道：“这种波当然可能存在！”从那一刻起，科学界的共识就变成了Alfvén绝对是正确的。

　　当代等离子科学的最大前景之一是受控热核聚变，它指的是当原子合并在一起时释放出强烈但可控的能量爆发，这几乎能源源不断地提供安全、“绿色”的能源，但这并非一件容易的事。在聚变出现在地球上之前，等离子体必须加热到超过1亿摄氏度的温度，这一温度比太阳的核心还要高10倍！但这并不是最复杂的一点，在20世纪90年代，我们就能达到并超过这一温度；更棘手的问题是，热等离子体非常不稳定，且不喜欢待在一个固定的体积内，这就意味着它难以被控制和利用。

　　我们对实现受控热核聚变的尝试可追溯到20世纪50年代初。当时，美国、苏联还有英国都在悄悄地进行这项研究。在美国，普林斯顿大学是这项研究的支柱。在那里，物理学家Lyman Spitzer启动了马特洪计划，一群科学家秘密地在一个名为“仿星器”的8字形设备中，试图对聚变进行引发和控制。那时的他们没有电脑，只能依靠笔来进行计算。虽然他们没有解决这个难题，但却最终发展了“能量原理”，这一原理至今仍是测试等离子体稳定性的有效方法。

○ 左：托卡马克；右：仿星器。| 图片来源：Economist.com