你真的认识火吗？火是物质的第四种状态！

火是我们生活中再熟悉不过的东西。如果问你：火是什么？你会想到哪些答案？

从历史的角度：几十万年前，人类学会用火，在进化史上与其他动物拉开了鸿沟；200多年前，蒸汽机和内燃机出现，人类通过燃烧掌握了能量的转换方式，开启了工业化时代。火之于我们，不仅仅是做饭取暖，甚至可以说是文明起源和延续的工具。

从化学的角度：我们看到的火，是可燃物与氧气进行快速氧化反应时，以火焰的形式产生的发光发热现象。火焰的颜色与燃烧的温度及能量变化有关。比如钠原子在高温下得到能量，变成激发态，但激发态不太稳定，会自动释放能量回到基态。它释放的能量相当于589.6nm和589nm两种波长的光，所以钠燃烧的火焰是黄色的。

金属的焰色反应

从物理的角度：火是物质燃烧产生的光和热，它的本质是能量与电子跃迁的表现方式。那么，为什么大部分火焰是泪滴状的？

火焰的形状是因为冷热空气对流造成的。火焰附近的空气被加热后，密度会变小，热空气上升。周围的冷空气由于重力向下沉降，填补空缺。在空气对流的过程中，热空气会带着火焰向上“飘”，于是我们看到的火焰形状大多是有个尖尖的泪滴状，并且不断闪烁。

NASA曾在零重力的太空环境下拍摄火焰的照片，没有了重力作用，冷热空气不再产生对流，火焰就变成了圆球状，还有点可爱！而且我们会发现，地球上的火焰底部是蓝色，太空中的火焰外围一圈都是蓝色，这与氧气含量有关，氧气含量更高的地方，燃烧更充分，火焰就更加“炉火纯青”。正因为如此，火的外焰温度更高。

不管正着还是倒着，太空中的火焰都是球形

大多数物质都有三态变化，那么，火属于固态、液态还是气态？

随着温度越高，分子的热运动会变得更加剧烈。高温状态下，原子吸收了足够的能量，会使外层电子摆脱原子核的束缚成为自由电子，失去电子的原子变成带正电的离子，这个过程就叫“电离”。被电离后的物质以自由电子、带电离子和中性原子的混合状态存在，内部虽存在高速运动的带电粒子，外部依然显示电中性。它不属于固体、液体、或气体中的任何一种，而是物质的第四种状态——等离子体。

并不是完全电离的气体才能称为等离子体，只要电离成分超过千分之一，气体的性质就会发生变化。带电粒子之间相互作用的主要方式变成了库仑力，分子间的作用力退居其次。因为等离子体内部存在大量带电粒子，所以等离子体受电磁场的影响非常大，而且导电率很高。

虽然我们在日常生活中最常见的是固体、液体和气体，但放眼宇宙，99%以上的物质都是等离子体，毕竟恒星、星云和茫茫的星际物质都是等离子体。太阳中心温度高达一千万度以上，那里的物质只能以等离子体状态存在，宇宙中像地球这样的“冷星球”反而是不常见的。

我们能见到的等离子体分两种，一种是自然状态的等离子体，如闪电、极光，一种是人工制造的等离子体，如日光灯、霓虹灯、电弧等。

极光的出现是由于太阳放射出大量带电粒子，这些粒子飞进大气层时与气体分子或原子碰撞，产生电离，放出光辉。而极光之所以常常出现在地球两极，是因为受到了地磁场的影响。

极光

闪电的产生是因为带电的云与地面之间形成了强电场，使大气发生击穿电离，发出耀眼的亮光。

闪电

霓虹灯运用了辉光放电的原理产生低温等离子体，最早是由法拉第发现的。在玻璃管两端封上电极，抽掉管内的空气，再充入少量的特殊气体，然后接上一万伏左右的电压(电流极小)，管内气体在强电场作用下产生电离，发出亮光。

辉光放电

在灯管中充入不同的气体，会发出不同颜色的光，氖气是鲜艳的红色，氩气是迷人的紫色，氦气是艳丽的黄色，如果充入氢气，会发出暗红色的光。

不同颜色的霓虹灯

等离子体不仅限于日常应用，各专业领域也有它的身影。高能等离子体技术可以杀菌消毒，低温等离子体消融术可以切除病变或增生的组织，等离子蚀刻机可以用于半导体的蚀刻和清洗。更甚者，科学家们设想出以等离子体为燃料的火箭，地球到火星的行程可以从250天缩短到39天。还有万众瞩目的“人造太阳”，可以说是等离子体技术的终极应用。

太阳蕴含的能量超乎我们想象，虽然它的能量只有22亿分之一到达了地球，却维持着地球上所有生命的生存发展和物质循环。如果折算成电能，太阳每秒钟输送给地球的能量相当于1.5亿亿度电，这些电能足够中国14亿人口持续使用2000年。

太阳的能量来源于它内部持续不断的核聚变反应，于是，科学家们师法自然，希望通过可控核聚变技术来解决人类面临的能源危机，“核聚变反应装置”也被亲切地称为“人造太阳”。

人造太阳EAST

它和等离子体有什么关系呢？

核聚变的反应物在高温下会被电离，形成等离子体。目前实现可控核聚变的装置有几种，我们在新闻中经常见到的“人造太阳”HL-2M和EAST都是托卡马克装置，它是一种环形的磁场装置，中间的腔体就是等离子体运行的“轨道”。

等离子体运行“轨道”

想要造出“人造太阳”，需要克服三大难关：

• 启动核聚变反应需要亿度以上的高温。太阳的核心反应区温度高达1500万摄氏度，但太阳同时具备高温高压环境，人造太阳想要提高反应速率，需要加热到1亿度以上的高温。在这种实验条件下，反应物基本都处于等离子体的状态。

• 将高温等离子体束缚在有界空间内。太阳能够把核聚变牢牢控制在身体内部，是因为它的巨大质量产生的万有引力。地球上无法造出如此大质量的物体，也没有任何物质能承受1亿摄氏度的高温，于是科学家们利用等离子体易受电磁场影响的特点，用超强电流产生的超强磁场把反应物牢牢控制在“磁笼子”里。而普通的导体会因为电阻产生热效应，无法承载这么大的电流，托卡马克内必须要使用超导体。

• 持续的等离子体运行时间。只有进行持续反应才能源源不断地产生能量，所以持续运行时间已经成为托卡马克实验的重要参数。2021年12月30日晚，中国“人造太阳”EAST成功实现1056秒长脉冲高参数等离子体运行，运行时间首次突破四位数！

人造太阳EAST的内部腔体

为了同时达到这三个条件，矛盾就出现了，以EAST为例，它所采用的超导材料的工作温度是-269℃，而高温等离子体的温度超过1亿℃，两种极限温度要在EAST内部同时存在，就需要真空状态来阻绝热传导。所以EAST内部集成了超高温、超低温（超导）、超大电流、超强磁场、超高真空的工作环境。

由此我们知道，人造太阳不仅仅是简单的核聚变反应，还需要超导技术、电磁技术等多种技术同时发展。换句话说，可控核聚变反应就是对高温高能状态的等离子体的控制。如果有一天，等离子体反应物达成了“超长待机”成就，大概我们就不用再担心能源危机了。

作者简介：流瑾茉篱，特约撰稿人，毕业于北京师范大学。