当我上小学的时候，我的老师告诉我物质有三种可能的状态：固态、液态和气态，但她没有提到等离子体，一种特殊的电气化气体，它本身就是一种状态。我们很少遇到自然的等离子体，除非我们有幸看到北极光，或者我们通过特殊的滤镜观察太阳，或者我们在雷雨中把头伸出窗外，就像我小时候喜欢做的那样。然而，虽然等离子体在我们日常生活中比较稀缺，但它还是占了宇宙中可观测物质的99%以上(如果我们不考虑暗物质的话)。
等离子体物理学是一个丰富多样的研究领域，有着自己的独特之处。在某些领域的科学、知识活力来自于美丽的大理论和寻找深层次的法律，例如爱因斯坦在广义相对论中的引力理论，或弦理论家试图使用微小的能量震动链来取代亚原子粒子的标准模型。而等离子体的研究也有一些非常优雅的数学结构，但与它的表亲学科不同的是，它的这些优雅数学结构主要是由它在现实世界中的应用推动的。
首先，如何制作等离子体?想象一下，加热一个装满冰的容器，看着它从固体变成液体，再从液体变成气体。随着温度的升高，水分子变得更有活力，更活跃，而且活动越来越自由。如果你继续加热下去，大约在摄氏度的时候原子本身就会开始分裂，电子将从原子核中剥离，留下被称为离子的带电粒子，这些粒子在剩下的电子汤中旋转，这是等离子态。
血液和“物理”等离子之间的联系也不仅仅是巧合。年，美国化学家欧文·朗缪尔(IrvingLangmuir)观察到，等离子体携带电子、离子、分子和其他杂质的方式，与血浆在红白血细胞和细菌周围运输的方式类似。朗缪尔是等离子体研究的先驱，他与他的同事LewiTonks一起发现了等离子体的特征是由粒子的集体行为导致电子的快速振荡。
等离子体另一个有趣的特性是它们支持所谓的磁流波的能力——沿着磁场线穿过等离子体的凸起，类似于振动沿着吉他弦传播。当瑞典科学家、后来的诺贝尔奖得主汉内斯阿尔芬(HannesAlfven)在年首次提出存在这些波时，物理界对此表示怀疑。但在阿尔芬在芝加哥大学发表演讲后，著名的物理学家兼教职员工恩里科·费米(EnricoFermi)走到他面前讨论这个理论，他承认：“这种波当然可能存在!”从那一刻起，科学界一致认为阿尔芬是绝对正确的。
当代等离子体科学的最大动力之一是受控热核融合，即原子融合，这种融合释放出强烈但可控的能量，这将可以提供几乎无限的安全“绿色”能源，但这不是一项容易的任务。在地球上发生聚变之前，等离子体必须加热到超过1亿摄氏度——大约是太阳中心温度的10倍!但这还不是最复杂的，在20世纪90年代，我们就已经设法达到了这样的温度，甚至更高。更困难的是热等离子体非常不稳定，它不喜欢停留在一个固定的体积，这意味着它很难装载和被利用。
实现受控热核融合的尝试可以追溯到20世纪50年代初。当时，美国、苏联和英国都在秘密进行这项研究。在美国，普林斯顿大学是这项研究的支点。在那里，物理学家莱曼·斯皮策(LymanSpitzer)启动了马特霍恩项目(ProjectMatterhorn)。在这个项目中，一群神秘的科学家试图在一个被称为“仿星器”(stellarator)的8字形装置中点燃并装载聚变物质。那时他们还没有电脑，只能依靠笔和笔的计算。虽然他们没有解决这个难题，但他们最终发展出了“能量原理”，至今这仍然是测试等离子体理想稳定性的一种强有力的方法。
与此同时，苏联科学家正在研发一种不同的装置：托卡马克(tokamak)。这台由物理学家安德烈·萨哈罗夫(AndreiSakharov)和伊戈尔·塔姆(IgorTamm)设计的机器利用强磁场将热等离子体聚集成甜甜圈的形状。托卡马克能够更好地保持等离子体的热度和稳定，直到今天，大多数核聚变研究项目都依赖于托卡马克的设计。为此，一个由中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国组成的财团联合建造了世界上最大的托卡马克反应堆，预计将于年投入使用。然而，近年来，人们对仿星器的热情再度高涨，全球最大的仿星器于年在德国投入使用。在这两条受控热核融合的道路上投资，可能会给我们带来最大的成功机会。
等离子体还与地球周围空间的物理学有交集，在那里，这些物质被在太阳高层大气产生的风所带走，幸运的是，我们有地球磁场保护我们免受带电等离子粒子和这种太阳风的破坏性辐射的伤害，但我们的卫星、航天器和宇航员都暴露在辐射之下。他们在这个充满敌意的环境中生存的能力完全依赖于理解和适应等离子体的怪异特性。
在一个被称为“太空天气”的新领域中，等离子体物理学扮演着类似于流体动力学在地面和大气条件中的角色。我把大部分研究都花在了一种叫做“磁重联”的东西上，等离子体中的磁场线可以撕裂并重新连接，从而导致能量的快速释放。这一过程被认为是太阳爆发事件(如太阳耀斑)的动力，尽管详细的机制仍然未水落石出。在未来，我们可能能够预测太阳风暴，就像我们能够预测城市的恶劣天气一样。
在空间和时间上往回看，我希望等离子体物理学能提供一些关于恒星、星系和星系团最初是如何形成的洞见。根据标准宇宙学模型，早期宇宙普遍存在等离子体;然后一切开始冷却，带电的电子和质子结合在一起形成电中性的氢原子。这种状态一直持续到第一批恒星和黑洞形成并开始发射辐射，在这时候宇宙“重新电离化”，并恢复到主要是等离子态的状态。
最后，等离子体有助于解释我们在宇宙最遥远区域观察到的一些最壮观的现象。以遥远的黑洞为例，这些巨大的物体密度大到连光都无法逃脱，直接观察几乎看不到它们，然而，黑洞通常被一个旋转的等离子体物质盘环绕，它们在黑洞的引力作用下运行，释放出可以在x射线光谱中观察到的高能光子，揭示了一些关于这个极端环境的东西。
这对我来说是一段非常激动人心的旅程，因为以前我一直认为固体、液体和气体就是主要的物质形式。等离子体看起来仍然很奇异，但当我们学会开发它们的潜力，拓宽我们对宇宙的视野时，总有一天它们对我们来说就像冰和水一样正常。如果我们能实现受控核聚变，等离子体可能会变成我们不可或缺的东西。
——LucaComisso
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