近来，国产科幻电影《流浪地球》热播，有关专家和观众对此纷纷点赞，认为它开启了中国电影的“科幻元年”。

  这部影片设定在2075年，以太阳内核急速老化不断膨胀即将吞没地球为时代背景。为了逃脱被太阳吞噬的灾难，人类开启“流浪地球”计划，试图带着地球一起逃离太阳系，将其迁移到距太阳系最近的比邻星系，成为其中的一颗卫星。

  人类举全球之力，在亚洲和美洲大陆上修建了1.2万台地球发动机。这种高达11000米的地球发动机的基础原理是：以岩石为燃料，利用岩石中的硅等重元素进行核聚变反应，由此产生高温度高压力高能的等离子体流，通过等离子体流喷射产生的巨大反冲力，推动地球迁徙，寻找新的家园。等离子体流无疑成为影片中拯救人类的一大“功臣”。

  电影是科幻的，但等离子体是一种真实的客观存在，的确有一定的“魔力”。现在，就让我们以严谨的科学态度揭开它神秘的面纱。

  提起“等离子体”这一个名字，是不是感觉有点“高大上”？它，含有的正负电荷总量相等，是一种电离了的气体。在自然界中，固态、液态、气态，是物质存在的3种形式，而等离子体则是有别于这3种形态的第4种基本形态。

  那么，等离子体是怎样产生的呢？等离子体又称为“电浆”或“离子浆”，是由大量正离子、负离子、电子、自由基和各种活性基团等带电粒子构成的电中性集合体。由于这种“电浆”中的正负电荷总量相等，所以叫做“等离子体”。美丽多彩的霓虹灯、炽热的火焰、光辉夺目的闪电以及绚烂壮观的极光，都是等离子体现象。电影中上万台地球发动机喷口喷射出蓝白色强光，形成的一根根巨型光柱，就是在核聚变形成的高单位体积内的包含的能量物理条件下产生的高温等离子体流。

  在地球上，等离子体物质远比固体、液体、气体物质少。然而，在整个宇宙中，等离子体占据着99%以上的物质总量，广泛存在于星际空间、恒星内部、地球电离层等自然环境中，是物质存在的主要形式，几乎主宰着整个宇宙。

  地球上的等离子体，虽然比固体、液体、气体物质少，却容易人工制造。目前，较为成熟的等离子体产生方法，是将普通气体用射线辐照、加热到足够高的温度或加强电磁场，使得气体原子的外层电子由于运动加速或受力，而脱离原子成为自由电子。这样，原来的中性气体因电离，就变成了由带正电的离子、带负电的电子以及部分未电离的原子组成的一团均匀的“浆糊”，即“电浆”，这团“浆糊”就是正负电荷总量相等的等离子体。比如，在化工、能源、材料和冶金等领域常见的电晕、辉光以及电弧等放电反应，均会产生等离子体。

  以物质第4种形态存在的等离子体，与固体、液体、气体等普通物质相比，有着与众不同的神奇特性。大多数表现在以下3个方面：

  参数范围很大。等离子体的参数可以在数个数量级之间变化。例如，它的温度能跨越7个数量级，密度跨越更是达到约25个数量级。在这么大的参数范围内，等离子体的物理性质都会显现，尽管它有几个数量级的数值范围，但性质相似。

  具有集体效应。等离子体具有很强的“集体主义”和注重协调一致的“团队精神”，这是它和其他物态的根本区别。普通物质由不带电的分子构成，分子间的作用力来源于分子的直接碰撞。而等离子体由带电粒子构成，带电粒子之间有长程的电磁相互作用力。带电粒子运动时，可通过长程力联系起来，引起正电荷或负电荷的局部分布，形成一个个小“团体”，从而增强了“行动”的协调性和统一性，极大提高其“战斗力”，内部也因此存在多种集体振荡模式。

  能够局域带电。等离子体虽然在整体上是电中性的，但是由于集体效应形成电荷的局部分布，它在空间小尺度上是带电的，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，并伴有极强的热辐射和热传导。而等离子体与电磁场又存在极强的耦合作用，因而具备极高的电导率，内部存在多种集体振荡模式，能被磁场约束作回旋运动。一些等离子体还拥有非常良好的电磁波响应性质。此外，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。

  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，其有关技术和工艺被大范围的应用于照明、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可提升上千倍，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、γ射线、太赫兹等多种辐射，具有小型化、波段宽、亮度高的优点，能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，在飞机表明产生一层等离子云，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，回波被有实际效果的减少，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非常适合于扩频、跳频等主动隐身技术。而高压脉冲等离子体天线可以在一定程度上完成大功率输出，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，获军队院校育才奖银奖。