在1999年法國日全食的觀點中，尖銳的光暈是來自太陽日冕的等離子體
當我上小學時，我的老師告訴我，物質存在三種可能的狀態：固體，液體和氣體。她沒有提到等離子體，這是一種特殊的電氣化氣體，它本身就是一種狀態。我們很少遇到天然等離子，除非我們很幸運能看到北極光，或者我們是通過一個特殊的過濾器看太陽，還是我們在雷雨期間把頭伸出窗外，就像我喜歡做的那樣我還是個孩子。然而，由於我們日常生活中的稀缺，等離子體佔宇宙中可觀察物質的99％以上（即，如果我們對暗物質進行折扣）。
等離子體物理學是一個豐富多樣的探究領域，具有獨特的特點。在某些科學領域，知識分子的活力來自於宏大理論的美和尋找深層次的基本規律 - 正如阿爾伯特·愛因斯坦關於廣義相對論中引力的論述所表明的那樣，或者弦理論家試圖用微小的理論取代亞原子粒子的標準模型。振盪的能量線。對等離子體的研究也享有一些非常優雅的數學結構，但與其科學表兄弟不同，它主要受其應用於現實世界的推動。
首先，你如何製作等離子？想象一下，加熱一個裝滿冰的容器，看著它從固體，液體到氣體。隨著溫度的升高，水分子變得更有活力和興奮，並且越來越自由地移動。如果繼續前進，在12,000攝氏度的溫度下，原子本身就會開始分裂。電子將從它們的原子核中剝離，留下帶電粒子，稱為
離子 ，在所產生的電子湯中旋轉。這是等離子態。 阿爾伯特愛因斯坦於1947年
血液和“物理”血漿之間的聯繫不僅僅是巧合。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類似於血漿如何在紅色和白色血細胞和細菌周圍運送。Langmuir是等離子體研究的先驅; 與他的同事Lewi Tonks一起，他還發現等離子體的特徵在於由於粒子的集體行為而導致電子的快速振盪。
等離子體的另一個有趣特性是它們支持所謂的水 磁波的能力- 沿磁場線穿過等離子體的凸起，類似於沿著吉他弦傳播的振動。當瑞典科學家HannesAlfvén和最終的諾貝爾獎獲得者 於1942年首次提出存在這些波浪時，物理界對此持懷疑態度。但在Alfvén在芝加哥大學講學後，著名的物理學家和教師Enrico Fermi來到他面前討論這個理論，並承認：“當然這樣的浪潮可能存在！” 從那一刻起，科學界一致認為阿爾芬是絕對正確的。
當代等離子體科學的最大動力之一是受控熱核聚變的前景，其中原子融合在一起並釋放出強烈但易於控制的能量爆發。這將提供幾乎無限的安全，“綠色”力量來源，但這不是一件容易的事。在地球上發生融合之前，等離子體必須被加熱到超過1億攝氏度 - 比太陽中心高10倍！但這甚至不是最複雜的一點; 在20世紀90年代，我們設法達到了那些溫度。更糟糕的是，熱等離子體非常不穩定，不喜歡保持固定的體積，這意味著它很難包含並且有用。
實現受控熱核聚變的嘗試可追溯到20世紀50年代初。當時，研究是由美國以及蘇聯和英國秘密進行的。在美國，普林斯頓大學是這項研究的支點。在那裡，物理學家萊曼斯皮策（Lyman Spitzer）創辦了馬特宏峰（Project Matterhorn），在那裡，一群秘密科學家試圖在一個名為“仿星器”的8字形裝置中點燃幷包含融合。他們沒有電腦，只能依靠鋼筆和鉛筆計算。雖然他們沒有解決這個難題，但他們最終開發了 “能量原理”，這仍然是測試等離子體理想穩定性的有效方法。
與此同時，蘇聯的科學家正在開發一種不同的設備：“託卡馬克”。這臺由物理學家安德烈·薩哈羅夫（Andrei Sakharov）和伊戈爾·塔姆（Igor Tamm）設計的機器利用強磁場將熱等離子體轉化為甜甜圈的形狀。託卡馬克更好地保持等離子體的熱穩定性，直到今天，大多數融合研究項目都依賴託卡馬克設計。為此，中國，歐盟，印度，日本，韓國，俄羅斯和美國的財團聯合起來建造了世界上最大的託卡馬克反應堆，預計將於2025年開放。但是，近年來也有了更新。對於仿星器的熱情，以及2015年在德國開設的世界最大的仿製藥。投資兩條融合路線可能為我們提供最終獲得成功的機會。
等離子體也與地球周圍空間的物理特性糾纏在一起，物質在太陽高層大氣層產生的風中穿過空隙。我們很幸運，地球的磁場使我們免受帶電等離子體粒子和這種太陽風的破壞性輻射，但我們的衛星，宇宙飛船和宇航員都暴露在外。他們在這種充滿敵意的環境中生存的能力依賴於理解和適應等離子體的怪癖。
在一個被稱為“太空天氣”的新領域，等離子體物理在地面，大氣條件下起著類似於流體動力學的作用。我將大部分研究投入 到磁重聯中，其中等離子體中的磁場線可以撕裂和重新連接，從而快速釋放能量。這個過程被認為可以為太陽的爆發事件提供動力，例如太陽耀斑，儘管詳細的理解仍然是難以捉摸的。在未來，我們或許可以預測太陽風暴，以預測城市惡劣天氣的方式。
在空間和時間上向後看，而不是向前看，我希望等離子體物理將提供關於恆星，星系和星系團首先形成的見解。根據標準宇宙學模型，等離子體在早期宇宙中普遍存在; 然後一切都開始冷卻，帶電的電子和質子結合在一起形成電中性的氫原子。這種狀態一直持續到第一顆恆星和黑洞形成並開始發射輻射，此時宇宙“再次”並且恢復到大部分等離子狀態。
最後，等離子體有助於解釋我們在宇宙最偏遠地區觀察到的一些最壯觀的現象。採取遙遠的黑洞，巨大的物體如此密集，甚至光線都無法逃脫它們。直接觀察它們實際上是不可見的。然而，黑洞通常被等離子體物質的旋轉盤環繞，其在黑洞的重力軌道內旋轉，併發射可在X射線光譜中觀察到的高能光子，揭示了這種極端環境的某些信息。
自從我認為固體，液體和氣體是唯一重要的物質以來，這對我來說是一段激動人心的旅程。等離子體仍然看起來很奇特，但是當我們學會利用它們的潛力，並擴大我們對宇宙的看法時，有一天它們對我們來說似乎像冰和水一樣正常。如果我們能夠實現可控的核聚變，那麼等離子體可能是我們不能沒有的東西。
通過Templeton Religion Trust對Aeon的資助，這一想法得以實現。本出版物中表達的觀點是作者的觀點，並不一定反映Templeton Religion Trust的觀點。
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