Продолжение цикла статей на тему устроения Вселенной и её свойств.
Электромагнитные силы и сила гравитации
Как мы увидели в предыдущей главе, согласно официальной науке гравитация является основной силой, контролирующей движение небесных тел. Учёные, как правило, не принимают в расчёт электромагнитные силы при своих расчётах движения небесных тел. Однако на самом деле, электромагнитные силы сильнее силы гравитации в 1039 раз, делая, таким образом, электромагнетизм фактически основной «движущей силой» в нашей Вселенной.
Сравнительная сила гравитации и электричества была продемонстрирована в опыте Роберта Милликена, [12] лауреата Нобелевской премии по химии в 1923 году. Милликен продемонстрировал, как капля масла, заряженная всего лишь одним электроном (после ионизации рентгеновскими лучами), может быть поднята в воздух электромагнитной силой при условии, что эта капля подвержена воздействию сильного электрического поля. [13] Таким образом, электромагнитная сила, воздействующая на один единственный электрон, может преодолеть силу тяжести целой планеты, воздействующей на каплю масла.
© Theresa Knott
Схема опыта Милликена. Электрическое притяжение одного единственного электрона уравнивает (относительно) слабую силу гравитации, с которой целая планета воздействует на каплю масла
Точнее говоря, распылённые Милликеном капельки масла были намного меньше обычных капель масла. Типичный радиус капельки составляет 0,1 микрона, [14] в то время как радиус обычной капли — примерно 1000 микронов (1 мм). Если капля воды содержит примерно 1021 атомов, [15] то в одной капельке мы найдем около 1017 атомов. Таким образом, Милликен продемонстрировал, что электромагнитная сила одного единственного электрона может противодействовать весу (т.е. силе тяжести) 1017 атомов.
Преобладание электромагнитной силы над силой тяжести поражает ещё больше при увеличении расстояния:
Сила магнитного поля, созданного электрическим током (например, ток Биркеланда в космическом масштабе), уменьшается обратно пропорционально расстоянию от электрического потока. Как электростатические, так и гравитационные силы между звёздами уменьшаются пропорционально квадрату расстояния между ними. [16]
Приведем конкретный пример. Если электромагнитная сила уменьшается в 100 раз при 100-кратном увеличении расстояния между двумя космическими телами, то сила гравитации уменьшается в 10 000 раз при том же изменении расстояния. Если гравитация, наравне с электромагнитными силами, играет важную роль внутри небесных тел, то на больших расстояниях между космическими телами (звезда-звезда, звезда-планета, звезда-комета и т.д.) сила гравитации, как правило, пренебрежимо мала и основным «игроком» становится электромагнитная сила.
Что представляет из себя плазма?
Прежде чем дальше углубиться в тематику, давайте рассмотрим явление «плазмы» или ионизированного газа. Чтобы понять электрическую природу Вселенной, нам следует сначала разобраться с природой её главной составляющей. Ирвинг Ленгмюр ввёл в обращение понятие «плазмы» из-за сходства ионизированного газа с «живыми» клетками крови. Действительно, тот факт, что плазма ведёт себя как живой организм, [17] является довольно необычным в сравнении с другими агрегатными состояниями:
В лаборатории Беркли по исследованию радиации Дэвид Бом начал работать над тем, что станет поворотным пунктом в его работе над плазмой. Плазма — это газ, состоящий из плотно сконцентрированных электронов и положительно заряженных ионов (атомов с положительным зарядом). К его удивлению, он обнаружил, что ионизированные электроны перестали вести себя как индивидуальные частицы и начали вести себя так, как будто они были частью большего взаимосвязанного целого. Хотя их индивидуальные движения казались на первый взгляд случайными, огромное количество электронов было в состоянии производить эффекты, которые говорили о их поразительной организованности. Как какое-то амебоидное существо, плазма постоянно воспроизводила себя и окружала все инородные примеси на её границе так, как какой-либо биологический организм блокирует инородные вещества в его защитной оболочке. Бом был настолько поражён этими органическими свойствами, что, по его словам, у него часто складывалось впечатление, будто это море электронов было «живым». [18]
Живая или нет, плазма является наиболее часто встречающимся агрегатным состоянием во Вселенной, как по массе, так и по объёму. Она составляет 99% всей видимой Вселенной [19] и, таким образом, является намного более распространённой, чем три других агрегатных состояния: твёрдое, жидкое и газовое. Все звёзды состоят из плазмы, и ею наполнено даже межзвёздное пространство. График ниже показывает, что плазма встречается в любой среде, при любых температурах и в любых типах материи. К категории плазмы относят даже металлы, так как они представляют собой твёрдую материю со свободными электронами [20] (см. в левом верхнем углу на рис. 4).
Парадоксально, но плазма — наиболее часто встречающееся агрегатное состояние — является наименее изученным явлением. В то время как студентам физики преподают свойства твёрдых тел, жидкостей и газов, о плазме практически не упоминают. Итак, давайте отдадим ей должное.
Плазма — это материя (обычно газ, однако она также может принимать твёрдую или жидкую форму), в которой определённое количество частиц было ионизировано. Ионизированная частица — это частица, потерявшая как минимум один электрон. Таким образом, в то время как «обычный» газ состоит из неионизированных частиц, плазма состоит из диссоциированных положительных частиц и негативных электронов.
Различные виды плазмы, в зависимости от их температуры (X-ось) и электронной плотности (Y-ось)
Следует отметить, что в данном выше определении плазмы под «частицей» подразумевается «молекула» или «атом». Давайте возьмём в качестве примера атом водорода (H), изображённый на рис. 5, который состоит из ядра (один протон плюс один нейтрон) и электрона, движущегося вокруг ядра (левая сторона иллюстрации). Если атом водорода ионизирован, то его ядро (протон) отделено от электрона (правая сторона иллюстрации).
Разница между газом и плазмой (на примере атома водорода)
Во время ионизации приток энергии выталкивает электрон с его орбиты из атома. В итоге мы имеем один свободный электрон (чёрные точки на рисунке) и один положительно заряженный ион (красные точки). Их заряды разделены, и газ ионизирован. Это и есть плазма.
Часть 3.
Плазма имеет очень специфические физические свойства. Она не является ни изолятором (имеющим очень высокое сопротивление), подобно неионизированному газу, ни суперпроводником (не имеющего сопротивления вообще). Тем не менее, она имеет довольно хорошую проводимость, даже лучше, чем у меди и золота. Обычно электрическое сопротивление плазмы составляет около 30 Ом. [21] Для сравнения: типичный импеданс [22] меди варьируется в пределах от 300 до 600 Ом. [23]
Электрический ток, в т.ч. и ток плазмы, возникает между двумя телами, имеющими различные электрические заряды. В этом случае позитивно заряженное тело (принимающее электроны с целью балансирования заряда) называют «анодом», а негативно заряженное тело (отдающее электроны) — «катодом».
Плазменный шар, демонстрирующий разрядку в газообразной плазме. Обычно шар наполняется неоном.
Если разность потенциалов достаточно высока, расстояние между двумя электродами (анодом и катодом) достаточно мало и газ в среде достаточно плотен, то газ ионизируется (то есть разделение заряда высвобождает электроны). Затем начинается балансирование зарядов между двумя телами путем перехода электронов от катода к аноду, или позитивных ионов от анода к катоду (или обоими способами). Это очень распространённое явление. Например, его можно наблюдать в люминесцентных лампах и плазменных шарах.
В плазменных шарах плазменные нити (т.е. потоки электронов и позитивных ионов) тянутся от центрального электрода к стеклу — внешнему электроду — для того, чтобы сбалансировать разницу зарядов. Запомните этот пример, поскольку это очень хорошая аналогия того, что происходит в звёздном пространстве и даже в галактических масштабах.
Виды разрядов
Плазма проявляет различные виды разряда в зависимости от плотности проходящего через неё тока (ампер на квадратный метр). При слабом токе происходит «тёмный разряд», что означает отсутствие видимого излучения и света. Это то, что, например, происходит с тёмными астероидами, тёмными звёздами или в межзвёздном пространстве (как мы увидим в следующей главе при рассмотрении масштабируемости плазмы). Через плазму просто проходит очень слабый ток, чтобы заставить её светиться.
Когда плотность тока увеличивается, плазма начинает светиться. Это можно наблюдать в люминесцентных лампах, в кометах (т.е. светящихся астероидах) или в солнечной короне. Это называют «тлеющим разрядом» .
При дальнейшем усилении электрического тока плазма приобретает форму«дугового разряда», выражающегося во внезапных и мощных электрические разрядах. Это то, что можно наблюдать в молниях или при дуговой сварке. Это также тот самый феномен, который мы наблюдали в упомянутом выше плазменном шаре. Ещё это может происходить в кометах, приводя к их взрывному свечению и/или разрушению, как это случилось с известной кометой Шумейкера-Леви [24] и другими кометами. На рисунке изображены три вида разрядов плазмы.
Сверху вниз: тёмный разряд (межзвёздное пространство), тлеющий разряд (неоновый свет), дуговой разряд (электродуговая сварка).
Итак, плазма может проявлять три вида разрядов, в зависимости от плотности протекающего через неё тока.
Масштабируемость плазмы
Очень интересным свойством плазмы является её масштабируемость. Это означает, что плазма проявляет схожие характеристики вне зависимости от масштаба: как в лаборатории, так и в космосе. Фактически плазму можно наблюдать в широком диапазоне расстояний, а не только на атомарном уровне. Этот диапазон начинается на 10-10 метрах в диаметре и доходит до галактического масштаба, который для нашего Млечного Пути составляет примерно 1020 метров в диаметре.
Это означает, что плазма простирается в линейных размерах на 30 порядков. Она имеет схожие свойства во всем диапазоне (т.е. от 10-10 до 1020метров). Рисунок выше иллюстрирует это сходство между микроскопической плазмой (на атомарном уровне) и макроскопической плазмой (в масштабе Солнечной системы).
Иллюстрация аналогичного строения Солнечной системы и атома.
Благодаря такой широкой масштабируемости космологи имеют возможность проводить наблюдения, формулировать гипотезы и, самое главное, проверять их в лабораториях (т.е. на микроскопическом уровне) и по методу аналогии применять их результаты к плазме, существующей в гораздо более крупном масштабе (космические феномены, например). С этой точки зрения, лабораторные эксперименты над плазмой, примененные к космическим феноменам, схожи с испытаниями самолётов или изучением естественного турбулентного потока в аэродинамической трубе на моделях меньшего масштаба с последующим применением результатов на реальных объектах.
Эта возможность проводить проверки позволяет выдвигать гипотезы и проверять теории в различных практических экспериментах, что является очень важным аспектом научного метода, как было сказано философом Карлом Поппером:
Критерием научного статуса теории является её фальсифицируемость, опровержимость, или проверяемость.
Ссылки
[12]: 'Robert Millikan - Biographical', Nobel Prize.
См.: www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1923/millikan-bio.html
[13]: Для подъёма одной капельки в воздух, напряжение электрического поля должно составлять 32 100 вольт. Для дальнейшего объяснения см. главу 26: «Ураганы, молнии и торнадо».
[14]: Harrison, R. G., 'Atmospheric Electricity And Cloud Microphysics', стр. 3
[15]: 'How many atoms are in a single drop of water', MadSci: Chemistry. См.: www.madsci.org/posts/archives/2000-10/971190308.Ch.r.html
[16]: Scott, D. E., The Electric Sky, стр. 44
[17]: Alfred, J., 'Plasma life forms', Unexplained mysteries. См.: www.unexplained-mysteries.com/column.php?id=111062
[18]: Talbot, M., Holographic Model of the Universe, стр. 39
[19]: Peratt, A. L., Advances in Numerical Modeling of Astrophysical and Space Plasmas, стр. 98
[20]: Там же, стр. 97
[21]: Demidov, B. A. et al., 'Anomalous Resistance And Microwave Radiation From A Plasma In A Strong Electric Field', Soviet Physics (август 1965 г.) 21(2)
[22]: Импеданс является формой сопротивления. Чем он выше, тем ниже проводимость.
[23]: Cebik, L. B., 'Some (Old) Notes on Home-Brew Parallel Transmission Lines', QSL.
См.: www.qsl.net/co8tw/openline.htm
[24]: Мы рассмотрим это событие детальнее в главе 18: «Кометы или астероиды?»
Оценили 6 человек
7 кармы