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音頻科普：-等離子體-
各位朋友，大家好，歡迎收聽(tīng)本期的《科學(xué)播報(bào)》。在中學(xué)課本中，我們?cè)?jīng)學(xué)到過(guò)，物質(zhì)一共有三種可能的存在狀態(tài)：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)。不過(guò)，書(shū)上很少提到，物質(zhì)其實(shí)還有第四種存在狀態(tài)——等離子體。等離子體是一種特殊的電化氣體，舉個(gè)例子，我們把一個(gè)裝滿冰塊的容器不斷加熱，當(dāng)溫度達(dá)到12000攝氏度時(shí)，水變成了水蒸氣，原子將開(kāi)始分裂。電子將從原子核中剝離，留下的是被稱為離子的帶電粒子，它們會(huì)盤(pán)旋在產(chǎn)生的電子湯中。這便是等離子狀態(tài)。
在日常生活中，我們很難見(jiàn)到天然的等離子體。那么，為什么我們要研究等離子狀態(tài)呢？其實(shí)，雖然等離子體在日常生活中不常見(jiàn)，但它在宇宙中，卻占了可觀測(cè)物質(zhì)的99%以上。
當(dāng)代等離子科學(xué)的最大前景之一是受控?zé)岷司圩?，它指的是?dāng)原子合并在一起時(shí)釋放出強(qiáng)烈但可控的能量爆發(fā)，這幾乎能源源不斷地提供安全、“綠色”的能源，但這并非一件容易的事。在聚變出現(xiàn)在地球上之前，等離子體必須加熱到超過(guò)1億攝氏度的溫度，這一溫度比太陽(yáng)的核心還要高10倍。但溫度并不是最難解決的問(wèn)題，在20世紀(jì)90年代，我們就能達(dá)到并超過(guò)這一溫度；更棘手的問(wèn)題是，熱等離子體非常不穩(wěn)定，且不喜歡待在一個(gè)固定的體積內(nèi)，這就意味著它難以被控制和利用。
20世紀(jì)50年代初，蘇聯(lián)的科學(xué)家研發(fā)了一種名為“托卡馬克”的裝置。這臺(tái)機(jī)器利用強(qiáng)大的磁場(chǎng)，將熱等離子體變成甜甜圈的形狀，能夠更好地維持等離子體的高溫和穩(wěn)定，直到今天，大多數(shù)聚變研究項(xiàng)目都是依賴于托卡馬克的設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，中國(guó)、歐盟、印度、日本、韓國(guó)、俄羅斯和美國(guó)已經(jīng)聯(lián)合起來(lái)，要共同建立一個(gè)世界上最大的托卡馬克反應(yīng)堆，這一計(jì)劃預(yù)計(jì)能在2025年建成。
此外，來(lái)自太陽(yáng)上層大氣產(chǎn)生的超高速太陽(yáng)風(fēng)，會(huì)將等離子體攜帶到地球周?chē)?，因此等離子體也與地球周?chē)臻g里的物理糾纏在一起。幸運(yùn)的是，地球的磁場(chǎng)能使我們遠(yuǎn)離這些帶電的等離子體粒子以及來(lái)自太陽(yáng)風(fēng)輻射的傷害；但我們的衛(wèi)星、航天器和宇航員卻都暴露在外。要讓他們能在這種充滿敵意的環(huán)境中生存，還需依賴于我們對(duì)等離子體的理解和調(diào)節(jié)。
最后，等離子體有助于我們解釋那些在宇宙最遠(yuǎn)處觀測(cè)到的一些極為壯觀的現(xiàn)象。就拿遙遠(yuǎn)的黑洞來(lái)說(shuō)，我們對(duì)這種密度極其致密、即使光也無(wú)法從中逃脫的大質(zhì)量天體幾乎無(wú)法進(jìn)行直接觀察。然而，通常來(lái)說(shuō)黑洞外有一圈旋轉(zhuǎn)的等離子體物質(zhì)盤(pán)，它們?cè)诤诙吹囊ο吕@其旋轉(zhuǎn)，并發(fā)射可在X射線波段中觀測(cè)到的高能光子，為我們揭示了這種極端環(huán)境中的某些信息。
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在日常生活中，我們很難見(jiàn)到天然的等離子體。那么，為什么我們要研究等離子狀態(tài)呢？其實(shí)，雖然等離子體在日常生活中不常見(jiàn)，但它在宇宙中，卻占了可觀測(cè)物質(zhì)的99%以上。
當(dāng)代等離子科學(xué)的最大前景之一是受控?zé)岷司圩?，它指的是?dāng)原子合并在一起時(shí)釋放出強(qiáng)烈但可控的能量爆發(fā)，這幾乎能源源不斷地提供安全、“綠色”的能源，但這并非一件容易的事。在聚變出現(xiàn)在地球上之前，等離子體必須加熱到超過(guò)1億攝氏度的溫度，這一溫度比太陽(yáng)的核心還要高10倍。但溫度并不是最難解決的問(wèn)題，在20世紀(jì)90年代，我們就能達(dá)到并超過(guò)這一溫度；更棘手的問(wèn)題是，熱等離子體非常不穩(wěn)定，且不喜歡待在一個(gè)固定的體積內(nèi)，這就意味著它難以被控制和利用。
20世紀(jì)50年代初，蘇聯(lián)的科學(xué)家研發(fā)了一種名為“托卡馬克”的裝置。這臺(tái)機(jī)器利用強(qiáng)大的磁場(chǎng)，將熱等離子體變成甜甜圈的形狀，能夠更好地維持等離子體的高溫和穩(wěn)定，直到今天，大多數(shù)聚變研究項(xiàng)目都是依賴于托卡馬克的設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，中國(guó)、歐盟、印度、日本、韓國(guó)、俄羅斯和美國(guó)已經(jīng)聯(lián)合起來(lái)，要共同建立一個(gè)世界上最大的托卡馬克反應(yīng)堆，這一計(jì)劃預(yù)計(jì)能在2025年建成。
此外，來(lái)自太陽(yáng)上層大氣產(chǎn)生的超高速太陽(yáng)風(fēng)，會(huì)將等離子體攜帶到地球周?chē)?，因此等離子體也與地球周?chē)臻g里的物理糾纏在一起。幸運(yùn)的是，地球的磁場(chǎng)能使我們遠(yuǎn)離這些帶電的等離子體粒子以及來(lái)自太陽(yáng)風(fēng)輻射的傷害；但我們的衛(wèi)星、航天器和宇航員卻都暴露在外。要讓他們能在這種充滿敵意的環(huán)境中生存，還需依賴于我們對(duì)等離子體的理解和調(diào)節(jié)。
最后，等離子體有助于我們解釋那些在宇宙最遠(yuǎn)處觀測(cè)到的一些極為壯觀的現(xiàn)象。就拿遙遠(yuǎn)的黑洞來(lái)說(shuō)，我們對(duì)這種密度極其致密、即使光也無(wú)法從中逃脫的大質(zhì)量天體幾乎無(wú)法進(jìn)行直接觀察。然而，通常來(lái)說(shuō)黑洞外有一圈旋轉(zhuǎn)的等離子體物質(zhì)盤(pán)，它們?cè)诤诙吹囊ο吕@其旋轉(zhuǎn)，并發(fā)射可在X射線波段中觀測(cè)到的高能光子，為我們揭示了這種極端環(huán)境中的某些信息。
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