《星球大战》里的光剑到底是什么？
文/王铮 （微信公众号：国家空间科学中心）
时值寒冬，冷风刺骨。要说当下最火热的电影是什么？当然是正在席卷全球票房的星球大战！《星球大战7：原力觉醒》是科幻电影系列《星球大战》的第七部，由卢卡斯电影公司和迪士尼联合发行，上映后打破了北美一系列的票房纪录，在 1 月 9 日中国大陆上映后，也取得了很好的票房成绩（小编当然也去看了）。而影迷们津津乐道的事物中，自然少不了那炫目的光剑（lightsaber）。需要说明的是，光剑的剑身不是激光，而是磁约束的等离子体，而等离子体在我们地球周围的宇宙空间中随处可见，在空间物理研究和空间探测中，其热度不亚于电影中的《星球大战》。
图 1 《星球大战》系列电影中的光剑
首先简单介绍概念。等离子体（plasma）也被翻译为电浆（台湾等地区习惯使用），被称为固、液、气以外的物质第四态。物质由分子构成，分子由原子构成，原子包含原子核和电子，固、液、气态是由分子间的距离决定的；而当物质被加热到足够温度、或受其他因素影响，原子中带负电的电子脱离了原子核的束缚，就可能形成失去电子的正离子、附着电子的负离子和带负电的自由电子，也就是发生了电离；电离后正负离子混合、无规运动并碰撞，就被称为等离子体；等离子体仍然是电中性的。在宇宙空间中，一来众多恒星等高温星球不断加热物质产生等离子体（比如我们的太阳），二来无边无际的低密度空间给了离子自由运动足够的距离，不会因为碰撞过于频繁而充分复合变回中性粒子，还有些其他因素，因此空间中处处存在着大量的等离子体。
图 2 卡通图：物质状态
概念很枯燥，我们就从光剑说起，来简单谈一谈空间中的等离子体。
磁约束的光剑剑身
光剑由剑柄和剑身组成，剑身是由一团等离子体被很强的磁场束缚成的剑的形状，从剑柄释放出的能量能折回剑柄。为什么可以用磁场为等离子体“塑形”呢？由于等离子由不断运动的、带电荷的离子和电子组成，带电粒子在磁场中运动时，如果不是平行运动，会由于电磁相互作用而受到改变运动方向的洛伦兹力，如果没有其他力的作用，会形成不断旋转的螺旋线运动，在很强的磁场内，就会将带电粒子约束在一定范围内。另一方面，由于相似的原理，如果一团等离子体有很强的运动，如果没有外力因素，其中的磁场也没有办法离开等离子体（否则会因为电磁作用产生极大的电流并产生阻碍运动的力），这样就称为磁冻结。
在空间当中，等离子体与磁场也是密不可分。太阳的大气（日冕）就处于等离子体状态，而太阳拥有很强的磁场，我们有时会听说一个名词——“黑子”，它就是太阳上磁场非常强的区域。在太阳大气常可看到火热的等离子体环，也就是日珥，它就是被磁场束缚住的、沿着磁力线成为环状的，这与电影中光剑的“塑形”异曲同工。同时，太阳的等离子体也不断的涌向广阔空洞的宇宙空间，其中也“冻结”着太阳的磁场。我们的地球也有很强的磁场，这些来自太阳的等离子体到达地球附近时，地球的磁场与冻结的太阳磁场作用，就把这些等离子体拦住了——要知道，这样高能量、高速度、高密度的等离子体，对我们生命是有害的。经过种种复杂的过程，太阳来的等离子体也会进入并停留在地球周围，受到地球磁场的控制形成若干等离子体区域，就称为地球的磁层，而我们地球大气电离的等离子体也会外逃到磁层，一同构成地球自己的“光剑”。地球的辐射带正是由地球磁场束缚形成的高能等离子体区域。而那些没有留在地球或其他行星的太阳等离子体，就继续飞向遥远的太空，直到与其他恒星来的等离子体“短兵相接”。
图 3 太阳磁场束缚等离子体形成日珥
披荆“热”刃，节能“冷”剑
电影中的光剑只有在剑刃切穿物体的时候才会消耗能量，是无坚不摧的“热”刃；没有接触物体时不会释放热量，所以平时是一把“冷”剑。这在目前来说还是电影的“黑科技”，不过空间当中的等离子体确实有“冷”有“热”。“温度”是物体分子热运动的剧烈程度，分子运动速度快，温度就高。等离子体是由离子和电子组成的，它们的速度也决定了等离子体的温度，分为高温等离子体和低温等离子体。同时，等离子体的离子和电子的质量相差上千倍，有时离子和电子可以有不同的速度，也就有不同的温度，如果它们温度相同称为热等离子体，否则称为冷等离子体。
宇宙空间中的温度天差地别，等离子体也随之不同。太阳大气可以达到上百万度的高温，它的等离子体是“热”的。地球磁层高能量的等离子体主要集中在“辐射带”，而地球附近更加广阔的空间中存在大量“冷”等离子体，组成了“等离子体层”。到了地球的电离层，等离子体温度更低，大多不会超过上千度。另外一点，即使等离子体有相当高的能量，如果密度很低，也很难由碰撞传递热量，感觉上仍然是“冷”的，这种既“冷”又“热”与电影中的光剑有几分相同点，而这样的等离子体在宇宙中数不胜数。除了广阔宇宙中低密度的等离子体，在电离层中，虽然大气的密度并不低（相比宇宙空间），但这里以中性大气为主，太阳辐射电离产生的等离子体密度也是相当低的。
图 4 （左）太阳等离子体流向地球磁场；（右）示意图：近地空间等离子体区域
什么都能切割，但不能切开另一把光剑（磁场）
星战中的人们为什么都梦寐以求一把光剑？因为光剑实在是无坚不摧，没有切不断的物体，除了另一把光剑。真实当中的等离子体技术当然没有这么厉害，不过等离子体机械加工（焊接、切削等）、冶金、化工、表面处理等工艺，已经广泛应用在我们当今社会，是新兴的并且非常有前途的工业技术。空间中的等离子体往往没有这样的施展空间，但是有另一种“切割”，在宇宙空间中随处可见——等离子体与磁重联。就像前面所说，如果磁场方向相反，磁冻结的等离子体不能横越磁力线，但当我们将磁场假想为一条条磁力线，方向相反的两条磁力线都从中断开，交叉重新连接——其实是磁场这种空间中的场的重构——这样就能实现等离子体的交换，也就是发生了磁重联。话说，光剑能够对砍，也许是因为光剑等离子体不能横越彼此的磁力线？！那么绝地大师也许可以创立不能招架的磁重联剑法！（赶快给编剧写信去！）
宇宙空间中的很多现象都可以用磁重联是解释，现在这一理论得到了广泛认可。太阳的日冕物质抛射（大规模的太阳等离子体向宇宙喷发）有很多理论解释，很多理论中都用到了磁重联；磁重联是目前解释太阳等离子体进入地球磁层的主流理论，理论认为太阳风等中的磁场与地球向阳面的磁场重联，磁力线带着等离子体一起到达地球背面的远处，再发生重联，使得一部分等离子体进入到近地空间；在地球较近的磁重联可能使得等离子体获得较大速度流向地球，沿着磁力线从夜晚侧的地球极区冲入地球大气（因为地球像一个大磁铁棒，磁铁上南下北，或者说是一个倒着指的指南针，所以地球极区是地球磁力线的出发点和汇聚点），还会引起地球磁场的剧烈变化。像这样，空间中无色无形的磁场，就如同被“光剑”切开一样，不断切割、重联，带来各种空间现象。此外，空间中还存在着“切割”磁力线的等离子体流动，例如电离层中，等离子体被大气的风带着跑，横穿地球磁力线，就会产生各种各样的效应。
图 5 （上左）能够招架光剑的是另一把光剑；（上右）磁重联示意图；（下）近地空间磁重联示意图
五颜六色的光剑
很多人好奇电影中的光剑为什么五颜六色，官方也有一些解释。光剑的核心元件是其中的光剑水晶，这是一种天然的矿物，剑刃的颜色基本由水晶的特性决定。绝地武士都使用天然的水晶，有绿色、蓝色、黄色等颜色，也有少量天然的红色。我们看到电影里邪恶的西斯武士使用的光剑都是红色，因为他们会对水晶进行加工，比如多块水晶熔合而成，加工中注入黑暗原力，最后水晶会发出红色的光。而真实当中等离子体的颜色，是等离子体中处于激发态的分子或原子的电子跃迁时发出特定波长的光决定的。至于“等离子电视”，则是氙氖混合的等离子体发出X射线撞击显示格的荧光粉发出有颜色的光，完全是另一回事了。
大部分人其实对与一种等离子体相关的大气中的发光现象并不陌生——也就是极光。前面说到，在地球夜晚侧的极区，带有能量的等离子体会从宇宙空间中下降到地球大气中，而大气成分受其激发，随后电子跃迁发光，就会产生五颜六色的极光，比电影中的光剑更为夺目。其实来自太阳的等离子体可以从地球白天侧的极区直接进入地球大气，但白天阳光亮度大，不易观察。另一方面，地球高层大气还存在着不被人广泛熟悉的发光现象——气辉。地球大气成分在太阳辐射作用下达到高能态，跃迁时会发出较弱的辉光，这种辉光较难看到，基本是使用仪器探测。
图 6 （上）不同颜色的光剑；（中和下）实拍：南极极光（南极科考队刘杨于 2015 年拍摄）
篇幅有限，这里仅仅对一部分的空间等离子体特性作了简短的介绍。如有不确，还请指正。想要进一步了解空间等离子体，相关书籍也非常多。最后，May the force be with you！
作者：王铮中国科学院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室
正文到此结束
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