等离子体：神秘的第四种物质存在形态
为电影《流浪地球》中的地球发动机提供了强大的后坐力。
占宇宙总物质的99%以上，是物质的主要形态。
它具有优异的电磁性能，在国防和军事领域具有惊人的应用潜力。
近日，国产科幻电影《流浪地球》热映，专家和观众纷纷点赞，认为其开启了。。电影的“科幻元年”。
影片以2075年为背景，背景是太阳核心的快速老化和膨胀，即将吞噬地球。为了逃脱被太阳吞噬的灾难，人类启动了“流浪地球”计划，试图带着地球逃离太阳系，移居到最近的邻近星系。
成为卫星之一。
在全球的努力下，人类在亚洲和美洲建造了12000台地球发动机。这种11000米高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。
通过等离子体射流产生的巨大反冲，推动地球迁移，寻找新的家园。血浆流无疑成为了影片中拯救人类的一大“英雄”。
电影是科幻，但等离子是真实的客观存在，它确实有某种“魔力”。现在，让我们以严谨的科学态度揭开它的神秘面纱。
“超级大家庭”称霸宇宙
提到“等离子”这个名字是不是感觉有点“高大上”？由于正负电荷总数相等，它是一种电离气体。自然界中，固体、液体、气体是物质的三种形态，等离子体是区别于这三种形态的第四种基本形态。
那么，等离子体是如何产生的呢？等离子体又称“等离子体”或“离子浆”，是由大量的正离子、负离子、电子、自由基和各种活性基团等带电粒子组成的电中性集合体。因为该“等离子体”中正负电荷的总量相等，
所以叫“等离子”。美丽多彩的霓虹灯，炽热的火焰，耀眼的闪电，绚丽的极光，都是等离子现象。电影中，数万个地球发动机喷嘴喷射出蓝白相间的强光，形成一个巨大的光柱。
它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，等离子体物质远远少于固体、液体和气体物质。然而，在整个宇宙中，等离子体占据了物质总量的99%以上，广泛存在于星际空间、恒星内部、地球电离层等自然环境中，是物质的主要存在形式。
几乎主宰了整个宇宙。
地球上的等离子体虽然少于固态、液态和气态，但很容易被人工制造出来。目前比较成熟的等离子体产生方法是用射线照射普通气体，加热到足够高的温度或者加强电磁场，使气体原子的外层电子加速或者受力。
离开原子成为自由电子。这样，由于电离，原来的中性气体变成了由带正电的离子、带负电的电子和一些未电离的原子组成的均匀的“糊状物”，即“等离子体”，即正负电荷总和相等的等离子体。举个例子，
化工、能源、材料、冶金等领域常见的电晕、辉光、电弧等放电反应都会产生等离子体。
特点神奇，与众不同。
与固体、液体、气体等普通物质相比，以物质第四形态存在的等离子体具有独特的神奇特性。主要体现在以下三个方面：
参数范围非常大。等离子体的参数可以在几个数量级之间变化。比如它的温度可以跨越7个数量级，密度可以达到25个数量级左右。在如此大的参数范围内，等离子体的物理性质将会出现，尽管它有几个数量级的数值范围，
但性质相似。
有集体效应。等离子具有强烈的“集体主义”和注重协调的“团队精神”，这是它与其他物质状态的根本区别。普通物质是由不带电的分子组成的，分子间的作用力来自分子的直接碰撞。虽然等离子体由带电粒子组成，
带电粒子之间存在长程电磁相互作用。带电粒子运动时，可以通过长距离的力联结起来，造成正负电荷的局部分布，形成小“群”，从而增强“动作”的协调性和统一性，大大提高其“战斗力”。
所以里面有很多集体振荡模式。
可以在本地充电。等离子体虽然整体上是电中性的，但由于集体效应形成的电荷局部分布，在很小的空间尺度上带电，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，并伴有强烈的热辐射和热传导。
而等离子体和电磁场之间有很强的耦合作用，所以它具有很高的电导率，内部有很多集体振荡模式，可以用磁场来抑制回旋。一些等离子体还具有良好的电磁波响应特性。另外，
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、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。
专家简介：钟鸣，国防科技大学文理学院物理系副教授，理学博士。发表论文30余篇，获。。院校育才奖银奖。
