Четвертое состоянии материи: самое невероятное и полное

К тому же самое красивое

Когда я был в начальной школе, мой учитель рассказал мне, что вещество может существовать в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. К сожалению, он забыл упомянуть, что есть еще и плазма — особый ионизированный газ, который является состоянием по себе.

В природе это четвертое состояние встречается довольно редко. Возможно, вы никогда его и не видели, разве что вам посчастливилось наблюдать Северное сияние, смотреть на Солнце через специальный фильтр или высовывать голову в окно во время сильной грозы.

И все же плазма, несмотря на малейшее присутствие в нашей жизни, занимает более 99% наблюдаемой материи во Вселенной (если не считать темную материю).

Физика плазмы — богатое и разнообразное поле исследований. В некоторых областях науки интеллектуальная живость проистекает из красоты основных теорий и поиска основополагающих законов — так Альберт Эйнштейн искал гравитацию в рамках общей теории относительности, а приверженцы теории струн пытаются заменить стандартную модель субатомных частиц на маленькие осциллирующие отбрывки энергии. Исследование плазмы тоже умеет бристать своими удивительно элегантными математическими систумами, но в отличие от своих кузенов, ею в основном движет желание применить эти знания на практике в реальном мире.

Но начнем с того, как делать плазму?

Представьте, что вы нагреваете контейнер со льдом, наблюдаете, как твердое состояние превращается в жидкое, а затем в газообразное. С ростом температуры молекулы воды становятся все более энергичными и взволнованными и все свободнее двигаются в пространстве.

Если вы продолжите свой эксперимент, то примерно на 12000 градусов Цельсия начнут распадаться сами атомы. Электроны высвободятся из оков своих ядер, оставляя за собой ионы, которые продолжат носиться в электронном супе. Это и есть плазма.

Кстати, совпадение названий плазмы крови и физической плазмы — это не простое совпадение. В 1927 году американский химик Ирвинг Лангмюр сравнил то, как плазма переносит электроны, ионы, молекулы и другие примеси, с тем, как кровь в наших телах переносит красные и белые тельца и микробов.

Лангмюр был первым ученым, изучавшим плазму. Вместе с коллегой, Леви Тонксом, они открыли, что плазма характеризуется быстрыми колебаниями электронов, которое возникает как следствие коллективного поведения частиц.

Другим интересным свойством плазмы является ее способность поддерживать так называемые гидромагнитные волны — бугорки, которые движутся в плазме вдоль линий магнитного полы, словно вибрации по гитарной струне.

Когда в 1942 году Ханнес Альвен, шведский ученый и впоследствии Нобелевский лауреат, впервые выдвинул гипотезу о существовании этих волн, физическое сообщество скептически отнеслось к его заявлению. Но стоило Альвену прочитать лекцию в Чикагском университете, как прославленный физик и лектор Энрико Фермиподошел к нему обсудить теорию и по итогам диалога изрек: “Конечно, такие волны могут существовать!” С этого момента с общего негласного согласия было принято, что Альвен абсолютно прав.

Одним из самых больших мотиваторов современного исследования плазмы является перспектива получения контролируемой термоядерной реакции, в которой атомы объединяются, выпуская мощные, но контролируемые всплески энергии. Это даст нам почти неиссякаемый источник безопасной ‘зеленой’ энергии. Но это задача не из простых.

Прежде чем получить такую реакцию здесь, на Земле, плазму нужно нагреть до более 100 миллионов градусов Цельсия , а это в 10 раз горячее, чем в ядре нашей домашней звезды — Солнца!

Но даже это не самая сложная часть; как никак, мы научились добиваться таких и даже более высоких температур еще в 1990-х годах. Хуже то, что горячая плазма крайне нестабильна и очень не любит удерживаться в конкретном объеме, а это означает, что ее очень сложно удержать и приспособить по назначению.

Немецкий стелларатор Wendelstein 7-X готовят к работе.

Попытки добиться контролируемой термоядерной реакции начались проводились еще в ранних 1950-х годах. В то время исследования проводились под грифом секретности и в СССР, и в США, и в Великобритании. В Штатах центром исследований стал Принстонский университет. Именно в его стенах физик Лайман Спитцер основал проект Маттерхорн, в рамках которого засекреченная группа ученых пыталась зажечь и удерживать реакцию внутри устройства под названием сталларатор.

У них не было компьютеров и приходилось все вычисления производить с помощью бумаги и ручки. Хотя решить задачу им так и не удалось, они разработали “принцип энергии”, который и по сей день остается мощным методом тестирования идеальной стабильности плазмы.

В это время советские ученые разрабатывали свое устройство — токамак. Его спроектировали Андрей Сахаров и Игорь Тамм. Устройство использовало создавало сильное магнитное поле, которое и удерживало плазму в форме пончика (ладно, так и быть, в форме тора).

Токамак был намного более успешен в удерживании плазмы в горячем и стабильном состоянии, поэтому до сих пор большинство связанных с плазмой исследовательских проектов опираются на этот дизайн. Более того, несколько стран, в числе которых Россия, Китай, Индия, Япония, США и страны Европейского союза, решили объединиться и построить к 2025 году самый большой в мире токамак.

Токамак

Впрочем, в последние годы возрос энтузиазм в отношении стеллараторов. Так в 2015 году в Германии открыли самый большой в мире стелларатор. Сейчас самым верным решением будет инвестировать в обе идеи, так как это даст нам больше шансов прийти к заветной цели.

Плазма играет роль и в физике пространства вокруг Земли, где материей управляют ветры, рождающиеся в верхней атмосфере Солнца.

Нам повезло, что магнитное поле Земли защищает нас от заряженных частиц плазмы и опасной радиации этих солнечных ветров; у спутников, космических аппаратов и космонавтов такой защиты нет. Их возможность выжить в этих жестоких условиях опирается на наше понимание плазмы и создание материалов, защищающих нас от ее всплесков.

В новой области науки под названием “космическая погода”, физика плазмы играет роль, схожую с той, которую играет динамика жидкостей в земных и атмосферных условиях.

Я посвятил большую часть своих исследований изучению магнитного перезамыкания, при котором линии магнитного поля плазмы могут разрываться и вновь соединяться, что вызывает всплески освобождаемой энергии.

Считается, что именно этот процесс несет отвественность за взрывные события на Солнце, такие как протуберанцы, солнечные вспышки, хотя, конечно, подробное понимание этих процессов нам пока недоступно. В будущем, возможно, у нас появится возможность предсказывать солнечные вспышки, как сегодня мы предсказываем погоду.

Если же, вместо будущего, обратиться в прошлое пространства и времени, можно предположить, что физика плазмы позволит нам понять механику образования первых звезд, галактик и звездных кластеров.

Согласно стандартной космологической модели, раняя Вселенная кишела плазмой, а затем всё начало остывать, и заряженные электроны и протоны начали объединяться, образуя электрически нейтральные атомы водорода. Это состояние продлилось до образования первых звезд и черных дыр, которые стали источниками излучения, и Вселенная ‘реионизировалась’ и вернулась в свое по большей части плазменное состояние.

Ну и не стоит забывать, что плазма помогает объяснить некоторые уникальные феномены в самых далеких уголках космоса. 

Возьмите хотя бы те же черные дыры, — массивные объекты, которые настолько тяжелые, что даже свет не может пересилить их притяжение. Они почти невидимы при прямом наблюдении. И все же, черные дыры обычно окружены диском плазменной материи, которая вращается по орбите, удерживаемая гравитационным притяжением дыры, и выделяет высокоэнергичные протоны, которые можно наблюдать в ренгеновском спектре, и эти снимки помогают нам изучать экстремальные условия вблизи черных дыр.

Это большой шаг вперед от школьных знаний о твердом, жидком и газообразном состоянии вещества. Плазма до сих пор кажется чем-то чуждым, но чем больше мы узнаем о том, как использовать ее потенциал, чем шире становятся наши познания о космосе, тем ближе день, когда плазма станет для нас чем-то обычным, как лед и вода.

И возможно, когда мы добьемся контролируемой ядерной реакции, плазма станет для нам соверенно незаменимым ресурсом, без которого мы уже не сможем представить нашу жизнь.

 — 

Автор оригинальной статьи — Лука Комиссо. 

Источник