1．物质的形态

过去人们都认为任何物质均以三种形态存在于自然界中，即固态、液态和气态，“态”也称为“体”，即固体、液体和气体。例如：水在0℃以下是固态（冰）；0℃到100℃是液态（水）；100℃以上则为气态（水蒸汽）；其它物质也都是在这三种形态间转化着，只是所转化的温度不同而已（但要说明，地球上也不是所有物质都有三态，例如碳就只有两态──固态和气态。固态碳在温度升高到一定值后，直接升华为气态，不存在液态碳）。这些都是写进教科书中的内容，已成为人们的常识。但是随着科学技术进步，人们认识深入和视野开阔，早已发现物质远远不止三态，现在已发现物质有十多种形态，随着科学的发展，发现的形态将会越来越多，如第四态为等离子态（见下节），第五态称为低温态。在一些物质的温度降至接近绝对零度时，由于原子的振动接近停止，其性能会发生很大改变。首先因电子在物质中没有阻碍，电阻可为零，出现超导性，一些原来在常温下的绝缘体，也可导电，这种超导作用已得到很多实际应用。其次，在超低温条件下，使一些物质的粘滞性几乎消失，此时已呈液态的小分子物质，如氢或氦，可出现超流性，即一般的容器对于这种物质，可像筛子一样，轻易地“漏”出来。它们甚至可以在容器壁面向上运动，以至从上面进口处“流”出。至于第五态后面发现的各种形态，就很难排列顺序了。过去把第六态称为高密态，现在认为极高密度的物质也有多种，如宇宙中的白矮星，是由恒星热核反应燃料用尽后坍缩而形成的，据估算，这种物质只一个火柴盒大小的体积，就有几十吨重！这似乎有点不可思议，其实从物质结构来分析也容易理解，我们知道，组成物质的原子由原子核和外围的电子组成。原子核只占原子体积的很小一部分，而1个电子的体积，又只占原子核中的1个质子或中子的约二千分之一，电子在离核很远处绕核旋转。一个原子就像我们地球等九大行星绕太阳旋转的太阳系一样。而各原子间又有很大的距离，对于金属材料由原子组成的晶格之间也有一定的距离，而分子材料的各分子之间也有很大的距离。所以无论金属或非金属，即使我们在一般显微镜下看来致密无隙，只要放大到足够大（几百万倍），可看到它们几乎是“空”的。只有一些点状物悬浮在“空中”，如果它们被某种力量紧密压缩在一起，其比重当然就不可思议了。

宇宙中的黑洞，又称暗物质，其实它并不是“洞”，而是比白矮星密度更高的物质。由于其密度太高，连光也不能逃离它的吸引力，所以我们看不到它，而像是黑的。中子星被认为是其电子全部进入核中和质子结合形成的。还有空间中的场、反物质、超子等都认为是物质的不同形态。此外我们常见的玻璃，过去被归入固态，因其没有固定的熔点，也有时看作液态（它具有和液体一样的流动性，尽管极缓慢。据说伦敦某教堂的窗玻璃，已有一百多年的历史了，它的下边比上边厚了近一倍，证明是向下流动的结果）。现在有人将其单独地称为玻璃态。又将现在电视等显像用的液晶称为液晶态。这样算下来，形态就超过了十种。当然，有些形态短时间无法证明，也难以获得普遍认同。

2．物质的第四态──等离子态

等离子态像气态一样无定形，其区别在于等离子态的焓值（单位物质所含的热量）远高于气态，其原子全部或大部分已离化，故具有良好的导电性。因其在被离化的区域里，正离子和负离子或电子是相等的，所以称为“等离子体”，它在总体上是电中性的。等离子体在宇宙中是很常见的，很多恒星都是等离子体，太阳就是一大等离子体，因内部连续热核反应，使其原子已全部处于离化状态。等离子体在地球上也不罕见，分自然形成的和人造的两类，自然形成的如电离层、极光、闪电等都是；人造的如原子弹爆炸，炸药爆炸、辉光放电及电弧等离子体等。可见无论物理的或化学的方法，只要能量足够集中，就可产生等离子体。

需要说明的是，有些物质虽然是等离子体，其温度并不高，如极光，霓虹灯等，这是什么原因呢？这是因为它们内部气体太稀薄，单位体积的物质太少，故不能产生宏观高温。

由于等离子中单位物质所含热量高，因而能产生很高温度。据我所原测温组测定，电弧压缩产生的氩等离子体，其温度可达近15000℃，氮等离子体为12000℃以上。如此高温，用其它方法很难达到。于是人们利用其高温等特性为新技术和新材料服务。利用等离子体的高温和惰性气氛（等离子一般用氮、氩或氦作介质，所以不含氧），金属研究所于上世纪五十年后期，在国内索先开始等离子喷涂研究，并取得成功。该技术能喷涂任何熔点的材料（如高达3370℃的钨）。先后用其完成多项军用和民用重要任务。如多种形号的火箭喷管，头锥及回收卫星的天线。获得过国家和省部级多项奖励。

在金属加工方面，我所先后研究过等离子切割、堆焊和焊接技术，均取得成功并应用推广。例如原来用氧－乙炔火焰切割金属，只能切割钢材，且厚度不能太大。对于铜、铝、不锈钢等则无能为力，因为这些材料的导热率高，切割时温度很快传开，切口处不能迅速熔化。电弧等离子体因其温度通常比氧－乙炔焰高近三倍，能在瞬间造成极高的温度梯度，形成切口，且切口光滑，切缝很窄。

风洞是飞行器（飞机、火箭等）研究和试验过程中必不可少的，飞机的风洞一般在常温下进行，但火箭因其飞行时速度高，能与空气摩擦产生高温，对其头锥和蒙皮选材往往用火焰风洞。我们所就进行过用火焰冲刷的方法，研究试验新火箭材料。但从上世纪六十年代初开始，我国发展载入飞行器。因其返回时速度大，和空气摩擦产生更高的温度和冲刷力，经受的条件更为苛刻。而在研究头锥、蒙皮和喷管材料时，因要加速试验和保证可靠性，对风洞要求比实际条件更高。为配合材料研究，我们所于上世纪六十年代研制成功“等离子高温高速风洞”，它也是用一种特殊设计的等离子发生器，将其产生的高温高速等离子焰流，喷于一真空室中固定的试样上，对试样进行考验。因发生器原产生的焰流速度就很高，加之其突然冲入真空室中，大大加速。因而达到了近5个马赫数和8000℃以上的高温的冲刷条件。为我国发展航天和洲际导弹材料作出了贡献。

这里应该说明的是，飞机设计时的风洞试验，主要是研究其空气动力特性，而上面沿袭以前所说的风洞，只是研究飞行器材料的抗高温高速气流冲刷性能，这种以研究材料为目的的试验和研究气动力学的风洞是不同的。因此这种叫法不太确切，所以叫等离子冲蚀试验更正确。

相关链接：马赫数（Mach numbet）是为纪念奥地利学者马赫（Emst Mach，1838－1916）而命名的。1马赫即1倍的音速，因此马赫数大于1即为超音速，低于1为亚音速。因为声音传播速度与介质温度有关，温度越高，其速度越大，所以马赫数的速度是相对的。

在医学手术中，等离子体也能发挥其作用，正在研究它代替现用的手术刀。这是一个只有钢笔大小的发生器，它产生一精致而形状不变的等离子矩，用于人体手术其优点是：1．因焰流温度高，能做到绝对无菌；2．当组织被切开时，边缘瞬间便因高温封闭了，可以做到基本无血手术。又因其温度梯度大，切口附近的组织不受影响。

总之等离子体在科学技术中前景广阔，很多方面都可利用。在未来的科学发展中，新发现的物质某些其它形态，同样可大显身手，造福人类。