等离子体物理学

等离子体物理学（Plasma Physics），是一门研究等离子体的形成及其各种性质和运动规律的物理学分支学科。^[1]

人类对等离子体的认识始于19世纪70年代，当时科学家们开始研究气体放电管中的电离气体。随着“等离子体”这一名词的引入，等离子体物理逐渐发展成为一个独立的学科领域，并在20世纪30~50年代初创立了等离子体物理基本理论框架和描述方法。20世纪50年代后，等离子体物理学迅速发展，并确立独立地位。^[3]该学科起初关注低温气体放电和电弧，后研究高温等离子体、探索磁场作用下的受控热核反应。^[4]

等离子体物理在多个领域具有广泛的应用，包括受控核聚变^[5]、空间等离子体^[6]、等离子体天体物理^[7]和低温等离子体。^[8]同时，等离子体物理学与天体物理学、原子物理学和空间物理学等学科密切相关。^[5]

等离子体物理学是研究自由电子与电离原子所组成体系的行为，这类体系即为等离子体。^[2]

等离子体是带电粒子和中性粒子组成的表现出集体行为的一种准中性气体^[9]，宇宙中可见物质的99%都是以“等离子体”的形态存在。太阳风、星云、恒星内部、极光、荧光、火焰、霓虹灯等都是等离子体。^[10][11]在高温或强电场作用下，气体电离生成离子、电子及中性粒子，形成强电离化气体。这种气体正负电荷密度均衡，整体中性。等离子体中电磁力占主导，引发不同内部运动形态。等离子体物理学主要研究电磁场中，等离子体的导电、导热、扩散、粘滞性、抗磁性、波的传播等性质。^[4]

自19世纪以来，学者对于气体放电、磁流体力学、天体物理学与空间物理学、受控热核聚变、体温等离子体技术应用等多方面的研究推动了等离子体物理学的发展。^[1][3]

1762年，戈特弗里德·威廉（Gottfried Wilhelm）首次在旋转的硫磺球中发现了人工条件下的电火花，初步揭示了气体放电的奥秘。19世纪初俄国的彼得洛夫发现了电弧放电。^[12]19世纪30年代，英国的迈克尔·法拉第（Michael Faraday）以及其后的约瑟夫·约翰·汤姆逊（Joseph John Thomson）、约翰·西利·汤森（John Sealy Townsend）等人相继研究气体放电现象^[13]，被认为是等离子体实验研究的起步时期。^[1]人类对等离子体的认识起源于19世纪70年代，当时是对气体放电管中电离气体进行研究。^[3]1879年，英国威廉·克鲁克斯（William Crookes）首先在克鲁克斯管中发现等离子体，并采用“物质第四态”这个名词来描述气体放电管中的电离气体。^[1][14]

1928年，美国欧文·朗缪尔（Irving Langmuir）首先引入“等离子体（Plasma）”这一名词^[14]，等离子体物理学正式问世。1929年美国的刘易斯·唐克斯（Lewi Tonks）和莫特·史密斯（Harold Mott-Smith）与朗缪尔合作，指出了等离子体中电子密度的疏密波（即朗缪尔波）。^[1]在实验中，朗缪尔将电子从热离子丝中传输类比为“血浆携带红色和白色小体和细菌的方式”，用“电浆”一词来类比血液。^[15]

从20世纪30年代至50年代初，等离子体物理基本理论框架和描述方法得以建立^[16]，研究范围从实验室中的放电管扩展至电离层和某些天体的电离气体。^[3]

1932年，英国爱德华·维克多·阿普尔顿（Edward Victor Appleton）用实验证实奥利弗·赫维赛德（Oliver Heaviside）的假说——地球上空存在着能反射电磁波的电离层（1902年）^[17]，并提出了电离层的折射率公式——英国的道格拉斯·哈特里（Douglas Rayner Hartree）于1931年同样证实该公式，得到磁化等离子体的色散方程。1941年，英国的西德尼·查普曼（Sidney Chapman）和文森佐·费拉罗（Vincenzo Ferraro）认为太阳会发射出高速带电粒子流，粒子流会把地磁场包围，并使它受压缩而变形。^[1][18]

等离子体的速度分布函数服从福克-普朗克方程（Fokker–Planck equation）。在1936年，苏联列夫·达维多维奇·朗道（Лев Дави́дович Ланда́у）在给出方程中由于等离子体中的粒子碰撞而造成的碰撞项的碰撞积分形式。1938年，苏联的阿纳托利·弗拉索夫（Anatoly Vlasov）提出了弗拉索夫方程，即弃去碰撞项的无碰撞方程。朗道碰撞积分和弗拉索夫方程的提出，标志着磁流体力学及等离子体动力论逐步形成。^[1][19]

1942年，瑞典汉尼斯·奥洛夫·哥斯达·阿尔文（Hannes Olf Gosta Alfvén）指出，当理想导电流体处在磁场中，会产生沿磁力线传播的横波（即阿尔文波），并应用于磁层和星际等离子体的研究。^[3]印度的苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar）在1942年提出用试探粒子模型来研究弛豫（Relaxation）过程。^[20]1946年朗道证明当朗缪尔波传播时，共振电子会吸收波的能量造成波衰减，这称为朗道阻尼。^[21]朗道的理论开创了等离子体中波和粒子相互作用和微观不稳定性等等离子物理学的新的研究领域。^[1]

从1935年延续至1946年，N.N.波戈留波夫（Nikolai Nikolaevich Bogolyubov）、马克斯·玻恩（Max Born）与赫伯特·悉尼·格林（Herbert Sydney Green）、约翰·甘布尔·柯克伍德（John Gamble Kirkwood）及雅克·伊冯（Jacques Yvon）从刘维尔定理（Liouville's theorem）出发，得到BBGKY方程组，^[22]该方程组可导出弗拉索夫方程等，为等离子体动力论奠定了理论基础。^[1]

20世纪50年代以后，等离子体物理学迅速发展，确立了其在物理学领域的独立地位。^[3]同时，英、美、苏等国开始大力研究受控热核反应，等离子体物理学也随之蓬勃发展。^[1]

1929年，英国的罗伯特· 阿特金森（Robert Atkinson）和奥地利的弗里茨·豪特曼斯（Fritz Houtermans）提出设想，太阳内部轻元素的核之间的热核反应所释放的能量是太阳能的来源，这是天然的自控热核反应。1957年英国的约翰·D·劳森（John D. Lawson）提出受控热核反应实现能量增益的条件，即劳森准则（Lawson criterion）。^[1][23]

20世纪50年代以来，对于等离子体的磁约束方面，美国的斯必泽（Lyman Spitzer,Jr）、理查德·F·波斯特（Richard F. Post）及前苏联物理学家列夫·阿西莫维奇（Lev Arsimović）分别建成了仿星器、磁镜和托卡马克装置等磁约束聚变装置，用于实现高温等离子体的磁约束。^[24]1963年，苏联的巴索夫、中国的王淦昌分别提出了激光核聚变方案，实现了惯性约束聚变。^[25]

环状磁约束等离子体的平衡问题由苏联的维塔利·德米特里耶维奇·沙夫拉诺夫（Vitalii Dmitrievich Shafranov）等解决。美国的马丁·大卫·克鲁斯卡尔（Martin David Kruskal）和沙夫拉诺夫导出了最重要的一种等离子体不稳定性，即扭曲不稳定性的判据。1958年美国的艾拉·伯恩斯坦（Ira B. Bernstein）等提出分析宏观不稳定性的能量原理。处在环状磁场中的等离子体的输运系数首先由联邦德国的D.普菲尔施等于1962年通过研究给出在密度较大区的扩散系数，苏联的加列耶夫·阿尔贝特·阿布巴济洛维奇（Галеев Альберт Абубакирович）等于1967年给出了密度较小区的扩散系数，这一理论适用于托卡马克这类环状磁约束等离子体中的输运过程，被命名为新经典理论。^[1][26]

在天体物理学与空间物理学方面，自从苏联在1957年发射了颗人造卫星以后，很多国家陆续发射了科学卫星和空间实验室，获得很多观测和实验数据，这极大地推动天体和空间等离子体物理学的发展。^[1]1958年美国的詹姆斯·范·艾伦（James Van Allen）预言地球上空存在着强辐射带，这一预言为日后的实验证实，即称为范艾伦带。^[27]同年，美国的尤金·帕克（Eugene Newman Parker）提出了太阳风模型。^[28]1974年美国的D.A.格内特根据卫星资料，证认出地球是一颗辐射星体，辐射频率为千米波。^[1]

20世纪末，低温等离子体在基础工业、国防工业及高技术领域得到广泛应用，推动了等离子体物理与其他物理学科及技术科学的相互渗透。随着研究的深入，等领域逐渐扩展：从传统的电中性等离子体到非电中性等离子体，从弱耦合等离子体到强耦合等离子体，从纯等离子体到尘埃等离子体，以及从线性现象到非线性现象。此外，激光技术的发展也推动了超短脉冲强激光与等离子体相互作用的研究。这些领域的研究为等离子体物理注入了新的活力，并取得了丰富的学术成果。^[3]

低温等离子体技术的发展很大程度上依赖于等离子炬或等离子体发生器的改进和发展，^[29]并在以往气体放电和电弧技术的基础上，进一步得到应用与推广，如等离子体切割、焊接、喷镀、磁流体发电，等离子体化工，等离子体冶金，以及火箭的离子推进（如霍尔推进器^[30]）等，都推动了对非完全电离的低温等离子体性质的研究。^[1]

等离子体是由带电粒子组成的，因为通常带电粒子的运动是由外部电磁场引起的，因此可通过单粒子运动方程来阐明等离子体的某些性质，并讨论绝热不变量。研究单粒子运动为宏观的流体理论和微观的伏拉索夫理论之间提供了一座自然桥梁。^[31]

在均匀恒定磁场中，带电粒子运动很简单。带电粒子在均匀恒定磁场中的运动将由两部分所组成:一部分是沿磁力线的（纵向）匀速直线运动，另一部分是环绕磁力线的（横向）匀速圆运动；这两部分合成起来，就使带电粒子沿磁力线作螺旋运动。^[32]如果除磁场外，还有其他外力F，则粒子除沿磁场运动外，在垂直磁场方向，一面作回旋运动，一面作漂移运动。漂移运动是拉莫尔圆的圆心（即导向中心）垂直于磁场的运动，可以由静电力或重力引起。对于非均匀磁场，漂移也可以由磁场梯度和磁场的曲率等引起。^[1]

在等离子体物理中，波动现象是等离子体物理研究中最基本的物理现象，也是研究方法相对成熟的物理现象。波动现象所需要描述的是电子密度、电子速度、离子密度、离子速度、电荷分离场、电势、等离子体压强、磁场等物理量之间的相位、振幅之间的关联。^[33]波提供了理论与实验的联系，可用波来测量等离子体的各种参量，并利用波改变等离子体的状态，如用波来加热或约束等离子体。此外，研究波动也具有一定的实用意义，如波在电离层中的传播等。波动还和不稳定性等问题紧密关联，不稳定性往往表现为振幅随时间增长的波。^[1]

由于等离子体中的带电粒子可以和波的电磁场发生作用而影响波的传播，使得等离子体中的波动模式非常复杂，既有横波（波矢k与电场E垂直），也有纵波（k与E平行），也有非横非纵的波。有椭圆偏振波，也有圆偏振波和线偏振波。波的相对速度可以大于、等于或小于真空光速c。波的群速和相对速度可以平行、不平行或反平行。如果有外加磁场，则波动、磁场的扰动和粒子的运动互相影响，就使得波的模式更加繁杂，例如正负电荷的分离会产生静电场，其库仑力是恢复力，由此产生了朗缪尔波；磁力线的弯曲，其张力是恢复力，由此产生了阿尔文波；等离子体中各种梯度，如密度梯度、温度梯度等，会引起漂移运动，漂移可以和波的模式耦合，由此产生了漂移波。^[1]

平衡问题是位形平衡问题的简称，它研究在一定的约束条件下，等离子体如何才能在力学上处于静止状态。对于磁场约束的等离子体，平衡问题就是用磁压力来平衡等离子体压力。^[1]

等离子体的不稳定性是指等离子体在受到扰动后，容易发生整体崩溃或扩散出去的现象，分为宏观不稳定性和微观不稳定性两大类。^[34]

宏观不稳定性又称为磁流体不稳定性、位形空间不稳定性，一旦在等离子体中出现一个小小的扰动，就会迅速地扩大并造成等离子体整体地崩溃。^[34]

这个术语指的是和偏离热力学平衡的宏观量有关的不稳定性。例如，假若平衡等离子体的体积大小（圆柱形、板状、半空间等）是一定的，并且能通过膨胀、平移或形变达到较低的势能态，那么它就可能是不稳定的。如果理论或实验证明这种等离子体在不考虑粒子的速度在平均值附近的分布时就是不稳定的，那么这样的不稳定性就叫做位形空间不稳定性。这些不稳定性通常可借助于等离子体的流体方程来描述。^[35]

微观不稳定性又称为波-粒不稳定性、速度空间不稳定性，起因是带电粒子和等离子体中的电磁波的相互作用，使得等离子体能够比较容易地摆脱磁场的约束而逃走。^[34]

这个术语指的是和偏离麦克斯韦分布的速度空间分布函数有关的不稳定性。例如，在不动的离子本底中，以不同速度漂移的两群电子对于朗道振荡的增长是不稳定的，并且会消耗两电子束流中相对运动能量。有些速度空间不稳定性可以用流体方程来研究，但一般都是借助于伏拉索夫方程。通常速度空间不稳定性虽然具有较大的增长率，但它们始终没有导致等离子体横越磁场的快速输运，这种快速输运一般是由位形空间不稳定性引起的。^[35]

弛豫和输运是非热平衡等离子体中向平衡态过渡出现的两类过程。其中，弛豫是从非热平衡速度分布向热平衡麦克斯韦分布过渡的过程，输运是描写稳定的非热平衡态有物质、动量、能量等在空间流动时的过程。^[1]

弛豫过程一般通过各种弛豫时间来描述。这里最基本的是带电粒子间的碰撞过程。^[1]对于高温等离子体，有三个比较重要的弛豫时间：慢化时间、偏转时间和能量交换时间。^[1][36]电子和离子的弛豫时间并不相同。一个初始为非热平衡的等离子体，经过碰撞，电子会首先达到热平衡，随后离子达到热平衡，达到电子和离子之间的热平衡。^[1]

输运过程是指等离子体中物质、动量、能量的流动过程，可以用各种输运系数来描述，包括电导、扩散、粘性、热导等。输运过程是受控热核聚变研究的重大课题，尤其是其中出现的不能用碰撞理论解释的反常输运现象。^[37]新经典理论是一种碰撞理论，其在受控热核聚变的研究中，在一定程度解释了环形装置中观察到的较大的粒子热导等运输系数。但在某些实验中，输运系数明显与新经典理论不符。反常输运成为当前聚变理论研究中的重大课题，因为关系到能否有效地约束等离子体的粒子和能量。^[1]

使等离子体吸收或发出辐射的机制有几种，可以归纳为发射原子发出的辐射、加速带电粒子引起的辐射两类。对于等离子体辐射的主要兴趣在于，可由辐射测量等离子体性质，在约束等离子体的情形中，辐射表示一种能量损失，在与受控热核反应堆有关的能量平衡的研究中，必须考虑这种能量损失。其中包括：^[38]

轫致辐射：严格来说，轫致辐射这个名词包含大多数辐射源。在等离子体物理学中，轫致辐射通常和自由-自由跃迁辐射等价，后者是在一个粒子碰到其它粒子并突然改变其运动方向时产生的。^[38]

黑体辐射：与轫致辐射相反，在受控核聚变反应堆感兴趣的等离子体温度下，黑体辐射损失的能量大大超过聚变反应所产生的能量。^[38]

杂质辐射：在部分电离等离子体中，处于激发状态的原子或离子的辐射介于黑体辐射和轫致辐射之间，它们发出的辐射称为杂质辐射。杂质辐射可以利用来测量等离子体温度和密度。^[38]

等离子体物理学的研究方法包括理论研究和实验研究。理论模型用于描述等离子体的行为和性质，数值模拟用于预测等离子体的演化，而实验观测则用于验证理论和模拟的正确性。^[1]

对于天然的等离子体，即天体、空间和地球大气中的等离子体，人们不可能用地面上实验室中的一般方法主动地调节实验条件或加以控制，而主要只能通过各种日益增多的地面和空间观测手段，如光学、射电、X射线、无线电波以及现代的高空飞行器和人造卫星一“空间实验室”，来接收它们所发射的各种辐射（包括各种粒子）。根据大量观测数据，进行分析和综合，探索有在于自然界的等离子体的状态（包括形态学和动力学）。^[39]

对于实验室或工业应用的等离子体，只能采取边制造边研究，逐步前进的办法，例如：受控核聚变等离子体的研究是通过实验装置来产生具有特定性能的等离子体，并逐步提高其温度和约束程度。装置的设计基于等离子体实验，通过理论外推和定量演算来确定；强流电子束和离子束技术的研究，需要利用各种仪器测量装置中产生的等离子体，并根据现有理论对测量数据进行处理，从而对装置中等离子体的形成过程和现象细节性质进行定性和定量的分析。实验结果要同参量条件相对应的理论分析进行对比较验，以判定实验及理论的前进方向。^[39]

等离子体物理学常用的理论表述有单粒子轨道理论、磁流体力学、动力学理论、数值计算四种研究方法。单粒子轨道理论不考虑带电粒子对电磁场的作用以及粒子之间的相互作用。磁流体力学将等离子体作为导电流体处理，使用流体力学和麦克斯韦方程组描述。这种方法只关注流体元的平均效果，因此是一种近似方法。动力学理论使用统计物理学的方法，考虑粒子的速度分布函数。^[1]

单粒子轨道理论是一种描述等离子体的理论方法，它假设等离子体是由大量相互独立的粒子组成的集合，忽略了带电粒子之间的相互作用，并且假设等离子体带电粒子运动所产生的电磁场与外场相比是小量，以至于可以忽略它们的影响。在这种理论方法中，单个带电粒子在外场中的运动可看成是具有代表性的，知道了单个粒子的运动规律，就可以粗略地估计和推断整个粒子系统在外场中的某些性质。在非相对论近似下，一个带电粒子在外力场中的运动方程为：^[40]

其中，m,q和r分别是带电粒子的质量、电荷及位置矢量，E和B是外电磁场f非电磁性力。^[40]

磁场与导电流体之间相互作用所引起的宏观现象的经典理论，通常称为磁流体力学，把等离子体看成电磁流体研究其宏观性质，在许多方面能得到符合实际的结果。当导电流体在磁场运动时将激起感应电流，这个电流一方面与磁场相互作用，产生洛伦兹力，改变流体的运动；另一方面，这个电流又将对导电流体产生欧姆加热和熵shāng的输运。^[41]

等离子体是由大量微观粒子组成的体系，其运动规律需要借助统计物理学的方法来揭示。等离子体的统计描述法是最基本的描述法，包括定义粒子的位置、速度、时间的分布函数，并确定分布函数满足的动力学方程。等离子体动力论是等离子体非平衡态的统计理论，是严格的理论，适用于研究等离子体中的弛豫过程、输运过程、波和微观不稳定性问题以及涨落效应。动力学理论还可以导出磁流体力学的连续方程、动量方程和能量方程，指明各种不同形式的磁流体力学方程的近似条件和适用范围。^[42]

现有的理论描述中，磁流体力学、弗拉索夫方程、福克-普朗克方程都是非线性偏微分方程，包含很多参量，为了求出解析解，物理模型往往过分简化以至无法精确和全面地包罗各种效应，因此数值计算在等离子体研究中的作用越来越大。另外，由于高温等离子体的实验和诊断都较难进行，所以自20世纪70年代以来，发展了一种数值实验的方法。就是在大容量的计算机上，用大量粒子来模拟等离子体的运动，以研究它的宏观和微观不稳定性等问题。这已成为一种有力的研究方法。^[1]

等离子体物理学在受控核聚变研究中具有重要应用，例如磁约束等离子体。研究等离子体在受控等离子体物理中的行为有助于我们更好地实现核聚变能源的开发。^[5]在地球实现热核聚变需满足四个条件：离子温度108℃，电子温度108℃，电子密度1X1010cm-3，封闭时间1s。如此高密度、高温度的等离子体存储极具挑战，科学家们一直通过等离子体物理学的相关研究以改进磁场形态和性质，以实现长时间稳定约束等离子体；探讨等离子体加热方法与手段，达到聚变所需温度；解决维持运转所耗能量大于输出能量等问题。^[43]

在空间等离子体应用领域，等离子体物理学专注于研究地球表面50公里以上的空间中所发生的等离子体物理过程，并致力于开发新颖的探测设备和技术方法。其中，对日地空间体系中等离子体的研究，尤其是空间天气的研究与预报，与人类生产与生活密切相关。太阳活动导致的地球大气以外部分电磁场和粒子分布的短暂剧烈变化具有灾害性，对卫星安全运行、卫星设备正常工作以及人类健康产生严重影响。为确保准确预报并降低灾害性空间天气带来的危害，有必要对整个日地体系，包括深空、太阳、行星际空间、地球磁层、电离层以及中高层大气的等离子体活动及理论进行系统探测和研究，揭示各部分之间的耦合模式以及能量和物质传输过程。^[6]

随着射电天文学的发展，等离子体物理在天体物理中的作用越来越大。等离子体状态决定了由轫致辐射机制产生辐射的条件和射电波传播的条件。等离子体与通常气体的本质差别在于其由离子和电子组成，且由于库伦力是长程的，轻的电子是可动的，在等离子体中起着基本作用的是集体过程，也即振荡与波。许多天体的谱（尤其是在射电波段）是在无碰撞等离子体中形成的，因此等离子体现象在解释这些谱中应起很大作用。因此，出现了“以等离子体理论为基础的天体物理”。^[7]

等离子体天体物理的应用包括：解释天体的光谱，即通过研究等离子体中的集体过程、振荡和波，可以解释天体的光谱，包括光学和射电波段、X射线、紫外和红外辐射等；研究天体的物理性质，即天体的物理性质，例如等离子体的状态、辐射机制、电磁波传播条件等；研究天体的演化过程，即研究天体的演化过程，例如恒星、星云、星系、类星体和脉冲星的演化过程。^[7]

低温等离子体在工业和科学研究中具有广泛的应用，如微电子工业中的等离子体工艺、各种坚硬、耐腐蚀、耐摩擦材料的制备、纳米材料的制备、聚合物以及生物材料的表面改性等。低温等离子体为我们提供了一些独特的性能，如活性的气氛、各向异性的能量分布和大量的带电粒子和激发态粒子。低温等离子体物理与技术的研究在国内受到了越来越多的重视，包括热等离子体物理、等离子体鞘物理、磁场重联、电子束与等离子体相互作用、尘埃等离子体、介质阻挡放电的斑图等热点问题。^[44]低温等离子体广泛应用于刻蚀芯片、表面处理等工业生产、空间助推器等高科技领域，^[45]以及真空到大气压的等离子体各种激励技术及其机理研究、冷热等离子体射流研究、等离子体化工合成、危险废物无害化处置、离子交换膜的制备、纳米材料表面修饰、有机高分子材料表面改性等领域。^[8]

等离子体在天体物理中扮演着重要角色，等离子体物理学有助于在天体物理中的研究中更好地理解宇宙的演化和天体的形成。^[5]由于恒星际介质中普遍含有电离氢，科学家们由此运用多种等离子体理论来解释宇宙射线的加速现象。^[46]

等离子体物理与原子物理的关联主要体现在等离子体环境对原子结构和动力学过程的影响。在等离子体中，原子结构、光激发和光电离、电子碰撞激发和电离以及离子-原子碰撞过程中的激发、电离和电荷转移过程等原子过程会受到等离子体屏蔽效应的影响。等离子体屏蔽效应改变了等离子体环境中原子的结构和动力学过程，并可能导致新的物理现象出现。因此，研究等离子体环境对原子过程的影响有助于推动原子物理与等离子体物理学科交叉的一个新的研究方向。^[5]

等离子体在地球和空间环境中也具有重要意义，例如太阳风、磁层、极光等现象都与等离子体有关。研究等离子体在这些环境中的行为有助于更好地了解地球和空间的环境变化。^[5]在于研究地球空间环境层，即太阳风引发的连续带电粒子流对地球磁层的冲击中，等离子体物理学也起到了重要的作用，如通过卫星及地磁站数据观测太阳风和行星际磁场在驱动地球磁层能量耗散等。地球磁层起到保护作用，抵御辐射影响，并在太阳风冲击过程中发生形变。^[46][47]

自20世纪20年代起，等离子体物理学逐渐成为物理学的重要分支。在实验方面，聚变装置和科学卫星提供了大量数据。在理论方面，粒子轨道理论、磁流体力学和动力论深入阐述了等离子体的性质和运动规律，并发展了数值实验手段。尽管取得显著成就，但反常输运等非线性问题仍需解决，对天体与空间观测、受控热核聚变和低温等离子体应用研究带来了新挑战，尤其在年轻学科中涉足关键应用领域并开辟前沿研究方向。^[1][3]

又称微观不稳定性，普遍发生在聚变等离子体、空间、天体等离子体和低温等离子体中。现已综合了理论、数值模拟和实验方面的研究结果，取得较为突出的成就，也对理论研究、数值模拟和诊断方法提出新的挑战。如雷诺协强对L-H转换的贡献、湍流谱的反级联过程的探讨、不同类型介观尺度相干结构的发现，以及由此形成的多尺度物理的研究。此外，还有尚未充分研究的磁涨落可能也起重要作用。这些现象涉及聚变等离子体的能量、粒子和矩的反常输运过程，有时也要考虑到磁螺旋度的弛豫过程。由于等离子体较中性气体有更多的自由度，等离子体湍流研究的进展必然对一般湍流研究，以及微观现象和宏观现象的联系方面取得新的认识。^[3]

激光技术的发展，特别是超短脉冲激光技术的进展，使得脉宽接近10-15秒量级、聚焦功率密度超过1021瓦/厘米2的超短脉冲强激光成为可能，从而开创出一个全新的前沿研究领域。这样强的光场超过原子内部的库仑场，所以这一研究领域又称为强场物理。在这样的场作用下，靶丸物质可被压缩成能量密度达到1010焦/米3的高温高密度状态，称为高能量密度物质。但根据温度高低，又可细分为温稠密物质和热稠密物质。温稠密物质实际上属于介于等离子体和固体之间的物态，接近于木星内部物质的状态，属于强耦合等离子体。这种激光等离子体实验可以模拟许多天体物理过程。^[3]

等离子体和固体表面的相互作用是聚变等离子体装置中的重要研究课题，也是广泛用于制造业的芯片加工和材料改性的关键物理过程。鉴于等离子体医学这一新的应用领域渐成雏形，等离子体对生物活体组织的作用研究也提上日程。与此相联系的是邻近等离子体边界区的鞘层模型的建立和完善，以及相互作用的定量描述和效果的预测。^[3]

随着空间探测技术的发展，除在太阳风中外，还在太阳射电爆发、弓形激波、地球极区辐射、电双层、地磁脉动、磁暴等物理过程中观测到高能粒子的存在。在进行聚变反应的等离子体中，则存在反应产生的高能α粒子。这些高能粒子与背景等离子体相互作用，可改变原有波模的稳定性，或激发一些新的不稳定模式，影响等离子体的约束和输运。这种高温聚变等离子体也称为燃烧等离子体。对具有高能组分等离子体物理的深入研究，发展成为一个重要领域。主要内容是高能粒子在背景等离子体中的弛豫、加速、加热和辐射、对背景等离子体平衡、稳定等的影响。^[3]