Что такое плазма? Для тех, кто не понимает физику
На фото — полное солнечное затмение, наблюдавшееся во Франции в 1999 году. Остроконечное гало света — это плазма из короны Солнца
Материя существует в четырех возможных состояниях: твердом, жидком, газообразном и в виде плазмы, представляющей собой электрифицированный газ. Мы редко сталкиваемся с естественной плазмой — ее можно увидеть при грозе и северном сиянии или если смотреть на Солнце через специальный фильтр. Тем не менее, плазма, при всей ее скудности в нашей повседневной жизни, составляет более 99% наблюдаемой материи во Вселенной (то есть если не учитывать темную материю).
Как образуется плазма
Представьте себе, что вы нагреваете контейнер, полный льда, и наблюдаете, как он переходит из твердого состояния в жидкое и затем в газ. По мере того как температура поднимается, молекулы воды становятся более энергичными и возбудимыми и перемещаются все более и более свободно. Если вы продолжите нагрев, то при температуре около 12 тысяч градусов по Цельсию атомы сами начнут распадаться. Электроны убегут из ядер, оставляя позади заряженные частицы, известные как ионы, которые, в итоге, оказываются в супе электронов. Это и есть состояние плазмы.
Плазма в физике и в крови
Связь между кровью и «физической» плазмой — это больше, чем просто совпадение. В 1927 году американский химик Ирвинг Ленгмюр заметил, что, как плазма переносит электроны, ионы, молекулы и другие примеси, так и плазма крови переносит красные и белые кровяные тела и микробы. Ленгмюр стал пионером в изучении плазмы. Вместе со своим коллегой Леви Тонксом он также обнаружил, что плазма характеризуется быстрыми колебаниями электронов из-за коллективного поведения частиц.
Еще одним интересным свойством плазмы является ее способность поддерживать так называемые гидромагнитные волны-выпуклости, которые движутся через плазму вдоль линий магнитного поля, подобно тому, как колебания распространяются вдоль гитарной струны. Когда в 1942 году шведский ученый Ханнес Альфвен, который впоследствии стал лауреатом Нобелевской премии, впервые предположил существование этих волн, сообщество физиков отнеслось к этому скептически. Но после того, как Альфвен прочитал лекцию в Чикагском университете, известный физик и преподаватель Энрико Ферми подошел к нему, чтобы обсудить теорию, признав, что такие волны могут существовать.
Термоядерный синтез
Одним из самых больших стимулов развития современной плазменной науки является перспектива управляемого термоядерного синтеза, при котором атомы сливаются вместе и выделяют интенсивные, но управляемые всплески энергии. Это обеспечило бы почти безграничный источник безопасной, экологически чистой энергии, но это не такая простая задача. Прежде чем на Земле произойдет такое слияние, плазма должна быть нагрета до более чем 100 миллионов градусов по Цельсию, что примерно в 10 раз горячее, чем центр Солнца. Но и это не самое сложное, поскольку ученым удалось достичь такой температуры в 1990-е годы. Однако горячая плазма очень нестабильна, поэтому ее трудно хранить и ею трудно управлять.
Попытки достичь управляемого термоядерного синтеза датируются началом 1950-х годов. В то время исследования проводились тайно Соединенными Штатами, а также Советским Союзом и Великобританией. В США, Принстонский Университет был точкой опоры для этого исследования. Там физик Лайман Спитцер начал проект Matterhorn, в рамках которого секретная группа ученых пыталась достичь управляемого термоядерного синтеза с помощью устройства под названием «стелларатор». У них не было компьютеров, и приходилось полагаться только на собственные расчеты. Хотя они не решили головоломку, они в конечном итоге разработали «энергетический принцип», который и сегодня остается мощным методом проверки идеальной стабильности плазмы.
Между тем, ученые Советского Союза создали другое устройство — токамак. Эта машина, разработанная физиками Андреем Сахаровым и Игорем Таммом, использовала сильное магнитное поле, чтобы загнать горячую плазму в форму пончика. Токамак лучше удерживал плазму в горячем и стабильном состоянии, и по сей день большинство исследовательских программ по термоядерному синтезу опираются на дизайн токамака. Сегодня Китай, Европейский Союз, Индия, Япония, Корея, Россия и США объединились для строительства крупнейшего в мире реактора на токамаке, открытие которого ожидается в 2025 году. Тем не менее, в последние годы также возродился энтузиазм в отношении стеллараторов, и крупнейший в мире открылся в Германии в 2015 году. Инвестирование в оба метода, вероятно, дает нам лучший шанс в конечном итоге добиться успеха.
Плазма в околоземном пространстве
Плазма также связана с физикой пространства вокруг Земли, где вещества переносятся с помощью ветров, генерируемых в верхней атмосфере Солнца. Нам повезло, что магнитное поле Земли защищает нас от заряженных плазменных частиц и разрушительного излучения такого солнечного ветра, однако все наши спутники, космические корабли и астронавты подвергаются этому воздействию. Их способность выжить в этой враждебной среде зависит от понимания и приспособления к причудам плазмы.
В новой области, известной как «космическая погода», физика плазмы играет роль, аналогичную динамике жидкости в наземных атмосферных условиях. Есть такое явление, как магнитное пересоединение, при котором линии магнитного поля в плазме могут разрываться и пересоединяться, что приводит к быстрому высвобождению энергии. Считается, что этот процесс питает солнечные вспышки, хотя детальное понимание остается труднодостижимым. Но в будущем мы сможем предсказывать солнечные бури так же, как и плохую погоду на Земле.
В чем плазма помогает нам сегодня
Возможно, однажды физика плазмы даст нам представление о том, как впервые сформировались звезды, галактики и скопления галактик. Согласно стандартной космологической модели, плазма была распространена в ранней Вселенной, затем все стало остывать и заряженные электроны и протоны связывались вместе, чтобы сделать атомы водорода электрически нейтральными. Это состояние продолжалось до тех пор, пока не образовались первые звезды и черные дыры, которые начали излучать радиацию, после чего Вселенная «реионизировалась» и вернулась в состояние плазмы.
Сегодня благодаря плазме ученые могут находить черные дыры. Они настолько плотные, что практически не отражают свет, поэтому практически невидимы для прямого наблюдения. Однако черные дыры, как правило, окружены вращающимся диском плазменного вещества, который движется в пределах гравитационного притяжения черной дыры и испускает фотоны высокой энергии. Именно их ученые могут наблюдать в рентгеновском спектре.
Плазма все еще кажется нам довольно экзотичным состоянием вещества, но по мере того, как мы будем учиться использовать ее потенциал и расширять наш взгляд на космос, она в один прекрасны день может стать для нас такой же обычной, как лед и вода. А если мы когда-нибудь достигнем контролируемого ядерного синтеза, то без плазмы мы больше просто не сможем жить.
Источник
Плазма во Вселенной
Состояние вещества меняется в зависимости от температуры. Например, вода при отрицательных (по шкале Цельсия) температурах находится в твердом состоянии, в интервале от 0 до 100 °С — в жидком, выше 100 °С — в газообразном. Если температура продолжает расти, атомы и молекулы начинают терять свои электроны — ионизуются, и газ превращается в плазму. При температурах более 1000000 °С плазма полностью ионизована — она состоит только из электронов и положительных ионов. Солнце, большинство звёзд, туманности – все они состоят из полностью ионизованной плазмы. Внешняя часть земной атмосферы – ионосфера — тоже стоит из плазмы. Полярные сияния, молнии, в том числе шаровые, — все это различные виды ионизированного газа, наблюдать которые можно в естественных условиях на Земле.
В конце 1928 году Ирвинг Ленгмюр впервые использовал слово «плазма» для обозначения того, что сейчас принято называть четвертым агрегатным состоянием вещества. В своей работе для Национальной Академии наук США, он обозначил этим неологизмом «состояние, содержащее сбалансированный заряд ионов и электронов». Само слово «плазма» позаимствовано из греческого языка и обозначает «вылепленный, сформировавшийся». Этим фонемой древние эллины называли яркие молнии, образующие сложный рисунок на небе. Четвертое агрегатное состояние вещества впервые было получено в 1879 году английским химиком и физиком сэром Уильямом Круксом. Однако, для того, чтобы выработать четкое научное представление о природе плазмы, потребовалось почти тридцать лет.
В настоящее время известно, что плазма представляет собой полностью или частично ионизированный газ, суммарный заряд которого равен или стремиться к нулю. Тем не менее, раздельное существование в газе ионов и электронов наделяет плазму свойствами, отличными от обычного газового состояния. Работы Ирвинг Ленгмюра легли в основу физики плазмы – его первые эксперименты в этой области включали в себя исследования электропроводности плазмы и ее реакции при взаимодействии с магнитными полями.
Сам ионизированный газ вплоть до середины 70-ых, годов считался некоей «панацеей», способной решить все энергетические проблемы человечества. Позднее было обнаружено другое уникальное свойство плазмы – она способна зачищать и стерилизовать любые поверхности на атомарном уровне, заменяя традиционные «влажные» химические методы. Плазменные технологии имею широкий спектр применений, особенно в области контролируемого ядерного синтеза. В быту плазма распространена в меньшей степени. Единственное практичное изделие для дома на основе плазменных технологий – это газоразрядный дисплей, более известный как «плазменная панель».
Источник
Теория электрической Вселенной. Часть 2: Что такое плазма?
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 10 39 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.
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 10 21 атомов, [15] то в одной капельке мы найдем около 10 17 атомов. Таким образом, Милликен продемонстрировал, что электромагнитная сила одного единственного электрона может противодействовать весу (т.е. силе тяжести) 10 17 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.
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.
[12]: ‘Robert Millikan — Biographical’, Nobel Prize.
[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
Комментарий: Читайте все переведенные главы из книги Пьерра Лескодро (Pierre Lescaudron) «Земные изменения и взаимосвязь между человеком и космосом» (Earth Changes and the Human Cosmic Connection), и другие интересные статьи, имеющие отношение к этой же тематике:
Pierre Lescaudron 
Пьерр Лескодро (M.Sc, MBA) родился в 1972 г. в Тулузе, Франция. Он сделал карьеру в административном руководстве, консалтинге и обучении аспирантов высокотехнологичных областей науки и промышленности.
Позже он стал редактором SOTT.net, исполнив свою заветную мечту изучать науку, технологию и историю.
Ему особенно нравится «связывать различные факты в единое целое» и сочетать области науки, которые традиционно считаются несвязанными между собой.
Источник