76、等离子体

当温度接近绝对零度时，几乎所有的物质都以固体形态存在，如果升高温度并改变一些其它外部条件（例如压强），分子会在热运动中获得足够的能量跃迁到高能级，从而激活这些高能自由度，晶体也会在不同的晶型结构之间转换。当温度更高一些，固态会转换为液态，继续升高温度，液体则会气化。当我们对气体进一步加热，使热运动的特征能量与原子或分子的电离能相当时，中性的原子或分子会电离为离子和电子的混合成份，这些基元粒子是带电的，但是整体不带电，这种物质状态称为等离子体，也就是物质的第四种状态。

地球上以等离子体形式存在的物质很少，主要存在形式为高空中的电离层。而在地球之外的宇宙空间中，等离子体则是一种普遍存在的状态，恒星就是由等离子体构成的。等离子体有丰富的物理内容，通过对其运动规律的描述，可以建立完美的恒星模型，让我们获得对恒星的大量知识。而且，通过磁场巧妙的约束等离子体的运动，使高温等离子体与容器不直接接触，可能会实现受控核聚变，解决能源问题。

当等离子体内的电荷密度分布不均匀时，通过理论分析可以证明会产生等离子体振荡现象，其振荡频率与电子数密度的平方根成正比。这个振荡频率可以刻画等离子体的一些属性，是一个重要的物理量。当我们分析电磁波与等离子体的相互作用时，会发现一些有趣的东西。当电磁波频率小于等离子体振荡频率时，电磁波无法在等离子体中传播，或者说入射的电磁波会在等离子体中指数衰减。当电磁波频率高于振荡频率时，电磁波可以在其中传播。由于等离子体的折射率小于一，电磁波在其中的相速度大于真空中的光速，因此，如果电磁波从空气入射到电离层时，折射角大于入射角，当入射角较大时，很容易产生全反射现象，这也正是电离层能够反射无线电波的原因。

频率高于振荡频率的电磁波入射到等离子体内时，波长会变长，其波长与频率的关系可以通过计算求出，其波长不仅与电磁波频率有关，还与等离子体的振荡频率有关。如果我们从德布罗意的物质波角度考虑问题，电磁波频率对应能量，波长的倒数对应动量，那么与等离子体频率对应的则是一项“静止能量或静止质量”。电磁波的能量、动量与这项莫名其妙的“静止质量”三者刚好满足相对论的能量动量关系式。由于在电磁波波长与频率关系的推导过程中引入了一些简化与近似步骤，或许这仅仅是一种巧合。但是如果这不是巧合，这种对应关系代表的是真实的物理，我们就需要认真对待这一现象了。

如果光子在等离子体中的这种对应可以从德布罗意物质波角度来理解，真空中没有静止质量的光子入射到等离子体内部时，获得了一个静止质量，其行为会相当于一个有质量的粒子。而这个静止质量与等离子体振荡频率成正比，它体现的是等离子体中电子数密度对光子的影响。这一现象会带给我们一些与质量有关的思路，在这里光子的“静止质量”不仅仅是它本身的属性，很大程度上是光子与周围的等离子体环境相互作用的结果，等离子体的性质可以显著影响光子的“静止质量”。如果光子能够通过与等离子体的相互作用获得质量，其它有质量的基本粒子会不会也是通过类似方式获得质量的呢？

在电弱统一理论中，传递相互作用的玻色子的质量是通过希格斯机制获得的，实际上是规范场与希格斯玻色子的标量场产生相互作用，并通过对称破缺产生的。如果没有希格斯场或希格斯玻色子，弱相互作用的中间玻色子就没有质量，弱相互作用也就成为长程力了。这个希格斯场可以类比为规范粒子周围类似等离子体的一种氛围，它们之间的确有相似之处。真空是很多基本粒子场的基态，可以看作是围绕在基本粒子周围的场，基本粒子与真空的相互作用很可能会与质量起源有关。从这个角度看，除中间玻色子以外的其它基本粒子的质量起源，例如电子的静止质量，很可能与真空属性有关。电子与真空的相互作用产生静止质量这种想法是有合理成份的，而且我们知道，真空不是一成不变的，在对撞机中的高能过程或宇宙大爆炸初期的高温阶段，真空的相态可能与普通真空态不同，产生真空的演化甚至相变。μ子与τ子除静止质量与半衰期和电子不同外，其它属性与电子完全一样，它们大多是在高能对撞过程中产生的，因此它们很可能与电子是同一种粒子，只是因为与不同的真空态相互作用，产生了不同的静止质量。可以进一步推测，如果没有与真空态的这些相互作用，电子的静止质量也是零，其速度也始终是光速，物质世界也将面目全非。对真空属性的深入理解，或许会让我们有一天可以计算出各种基本粒子的静止质量。

等离子体将我们的思路引导到这里让人有些始料不及。在物理学家们刚刚发现气液相变的临界点时，谁能想到与它有关的计算需要用到量子场论中的重整化群方法呢？当人们对量子场论中规范粒子的质量问题头疼的时候，谁能料到突破来自固体物理中的对称破缺概念呢？从中我们可以看到，不同领域的问题或许会有相同或类似的方法，从不同的领域中获取灵感和思维方法，也许可以打开新的思路，解决新的问题。等离子体异常丰富的物理内容是一个理论方法的宝库，也许可以从中找到解决其它领域问题的思路或方法。