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绚丽多彩的等离子体世界

令古埃及神秘的赫尔墨斯哲学被誉为西方的易经,在其7项宇宙终极密码论说中的“振动原讲到:“没有任何东西是静止的,一切都在动,一切都在振动( Nothing Rests, EverythingMoves, Everything Vibrates)。”无独有偶,1918年诺贝尔物理学奖获得者德国科学家普朗克Max Planck)认为:大千世界的所有物质都是由快速振动的量子组成的,物质能量正比于其振动频率以及层次。振动频率反映了物质中粒子的有序程度,从低到高分别对应于熟知的物质形态:固体、液体、气体和等离子体。在这4类物质中,等离子体内的粒子是最无序的。在同一类物质形态内振动频率也千差万别,例如等离子体中的太阳风约为9×10Hz,日冕则约为9×105H2,对等离子体而言,其振动频率通常和等离子体密度的平方根成正比。1665年,荷兰科学家惠更斯( Christiaan Huygens)提出的低频能量转换成高频能量的共振原理可以解释

从固体、液体、气体到等离子体逐级无序程度的提高。在高频能量作用下,固体晶格空间被共振分解形成液体,液体粒子结合键被共振瓦解形成气体,气体中电子被共振脱离中性粒子束缚成为自由电子从而形成等离子体。大体上讲,等离子体是部分或完全电离的准电中性气体,由电子、正/负离子、中性粒子(激发态/基态)、自由基、光子等组成。宇宙学理论认为物质的最初形态是等离子体,从宇宙诞生之初10s的夸克胶子等离子体到3min的氢等离子体构成的原子核时代。但人类首次认知等离子体则是在1879年英国科学家克鲁克斯( William Crookes)研究电现象时的偶然发现。Plasma这个希腊词汇由美国科学家朗缪尔( Irving Langmuir)和托克斯( Lewi Tonks)在1929年第一次提出,用来描述气体放电管里的辉光等离子体。根据印度科学家沙哈( MeghnadSaha)估算:在浩瀚的宇宙中以及人类生存的地球上,大于99%的可见物质都处于等离子体状态。图1.1中罗列了各种经典等离子体的大致分布情况,人类的生存环境属于高密度低温度区域,在这个低能级区域没有天然等离子体存在。天然等离子体包括太空中的太阳核心、日冕冤

及太限风等、自然界中的闪电、火焰及极光等。人造等离子体应用数以千计,经典的应用有电、十法刻和受光灯等,等离子体世界密度跨度近30个数量级,温度跨度达8个数量级,其中大然等离子体间不是完全割裂的。例如地球大气外侧的磁层和电离层就是太阳辐射和字宙时线激地球表面的大气层面产生的1来自于日冕的日地之间的太阳风与地球表面的磁层和电离层(均为等离子体)作用会在南北极产生极风。等离子体另外一个重要分类方式是依据等离子体粒子温度,可分为热平、局部热平窗和非热平衡3种,其中非热平衡等离子体有别于热平以及局部热平等离子体的一个主要特征是其电子温度和离子温度的二元性,即其电温度远远高于其离子温度,故常被称为冷等离子体(属于非热平衡的低温等离子体)。在太空、自然界和人造等离子体中都有冷等离子体存在,例如恒星际物质、火焰、干法蚀刻和费光灯等离子体世界博大精深,历经百年艰辛的探索,依然难以窥其全貌。援引中国科学技术大学刘万东教授世纪之初的素描来细细品味等离子体的特性:“等离子体中的两性:相互独立又相互找持、平和时若即若离,选速时则携手并肩等离子体中的相互作用:长则绵绵,短则就就,远可及周天之外,近可抵層齿之间:等离子体的集体行为:自由与東缚兼得,温和与暴感并存:等离子体的自治票性:可以欺之以就媚,不可催之以强蜜,若以力,人人奋愤可兵,以刻、则诺诺列队而从。电子离子,以其简洁的率仑作用,本不堪言,然一成群体,即如此绚丽。