Владимир Келлер - Возвращение чародея
Теперь положение изменилось. Даже в промышленных условиях добиваются иногда температур порядка 12 000 градусов. А физики по «добыванию» высоких температур превзошли пределы самых невероятных фантазий.
В Институте атомной энергии научным сотрудником М. С. Иоффе были произведены эксперименты, в которых удалось получить температуру для дейтерия 60 миллионов градусов — в три раза более высокую, чем в центре Солнца (по современным представлениям, температура в центре Солнца несколько менее 20 миллионов градусов). Академик Евгений Константинович Завойский добился еще более эффектных результатов: в своих опытах ему вместе с сотрудниками удалось нагреть потоки электронов до температуры свыше 100 миллионов градусов.
Сейчас уже известно точно: выше 6000 градусов газы, даже что ни на есть устойчивые, как бы испаряются.
Что же с ними происходит?
Когда при бешеных скоростях, вызванных сильным нагревом, атомы вещества сталкиваются один с другим, из них выбиваются электроны. Утрачивая часть электронов, атомы превращаются в положительные ионы, то есть в «осколки», заряженные положительным электричеством. Электроны, как известно, заряжены отрицательно. В результате получается смесь из отрицательных электронов, положительных ионов и не успевших «испариться» нейтральных атомов. Так как положительное электричество в такой смеси равно отрицательному электричеству, смесь в целом остается нейтральной. Но электроны сталкиваются между собой и с ионами и заставляют «испаренный газ» светиться (что бывает, впрочем, не всегда, а лишь при достаточном количестве частиц; если разрежение высокое, вещество может стать совсем невидимым).
Облако материи в таком особо возбужденном состоянии и называется плазмой. Открыл ее в 1920 году выдающийся индийский астрофизик Мег Над Сага.
Что плазма уже не газ, а качественно совсем иное, новое состояние вещества, ученые убедились довольно быстро.
Каждое состояние вещества имеет свои особые свойства, не похожие на свойства остальных состояний. Имеет их и плазма.
Свойства плазмы резко отличаются от свойств газа. Газ, например, — электрический изолятор. Плазма, хотя она в целом и нейтральна, как газ, наоборот, прекрасно проводит электрический ток. В отличие от металлов, которые проводят ток тем хуже, чем больше они нагреты, электропроводность плазмы растет с увеличением температуры.
Теория говорит, что при очень высокой температуре плазма практически должна обладать свойством сверхпроводимости, то есть ее электрическое сопротивление должно быть близко к нулю. Кроме того, плазма — идеальный проводник тепла, она — сверхтеплопроводящий материал.
В плазме очень много тепла, но есть и то, чего нет ни в одном теплоносителе, — порядок. Сильное магнитное поле, в котором добывается плазма, вносит в ее движение порядок, причем необыкновенный: винтовой, или иначе — гиротропный.
Острый интерес к плазме в наши дни вызван многими причинами. Первая, конечно, заключается в том, что, как оказалось, плазма гораздо больше распространена в природе, чем это можно было бы предполагать. Почти вся Вселенная состоит из плазмы. Из плазмы состоят Солнце, горячие звезды, туманности, межзвездный газ.
Выяснилось, что с плазмой люди имели дело задолго до ее открытия.
Вода начинает испаряться еще до того, как достигает температуры своего кипения. И плазма образуется не обязательно при температуре 6 и выше тысяч градусов. Она возникает, например, под воздействием сильного облучения газа рентгеновыми или ультрафиолетовыми лучами. Поместив газ в мощное электрическое поле, его также можно привести в состояние ионизации, частично обратить в плазму.
Слабо горит свеча. И все же ее пламя хоть в малой степени, но ионизировано. Это еще не настоящая плазма, но уже намек на нее. А вот ослепительный свет электрической дуга и мягкое свечение неоновой трубки прямо исходят от плазмы. Близко к настоящей плазме пламя сварочной горелки и форсунки дизеля, пламя в цилиндре двигателя внутреннего сгорания.
Кратковременное плазменное состояние возникает в стволе орудия при выстреле. Вообще при всяком взрыве большой массы взрывчатого вещества происходит образование плазмы.
Плазма образует канал электрической искры и молнии. Ионизированные слои в атмосфере Земли состоят из плазмы. Полярное сияние есть не что иное, как свечение ионизированного газа, то есть тоже плазмы.
Юрий Гагарин совершил свой подвиг буквально в объятиях плазмы. Когда космический корабль «Восток», взметнувшись с площадки космодрома, с грохотом пробивал плотные слои атмосферы, сопла ракетного двигателя извергали плазму.
Плазма широко распространена повсюду, но, пожалуй, еще сильнее привлекает она внимание ученых своими возможностями для техники будущего.
Плазма — самое перспективное состояние вещества для преобразования тепла непосредственно в электричество. По-видимому, в безмашинных электростанциях будущего в движении будет находиться только плазма. Проходя между полюсами сверхмощных магнитов, потоки плазмы будут превращать энергию своего движения в энергию электрического тока.
Не за горами создание и космических кораблей с плазменными двигателями. С такими двигателями, выбрасывающими реактивную плазменную струю со скоростями в десятки или даже сотни тысяч километров в секунду, можно отправиться на исследование самых далеких планет Солнечной системы.
Весной 1965 года советские ученые провели первые успешные испытания плазменных двигателей в космических условиях — на борту космического корабля «Зонд-2».
Велики перспективы плазмы и в области управляемых термоядерных реакций. Академик Л. Н. Арцимович считает даже, что это важнейшая задача плазмы. Он писал:
«Физика плазмы не относится к магистральным направлениям науки, но тем не менее за последнее десятилетие она разрабатывается весьма интенсивно, так как с ней связаны надежды на решение задач исключительного перспективного значения. Первое место среди них занимает общеизвестная проблема управляемого термоядерного синтеза, решение которой должно полностью устранить угрозу энергетического голода на нашей планете».
Волшебный вкус квинтэссенции
Итак, четыре состояния вещества — твердое, жидкое, газообразное и плазменное. Совсем, как древнегреческие четыре стихии — земля, вода, воздух, огонь. Как вновь и вновь не вспоминать знаменитые слова Ф. Энгельса о философии античной Греции: «В ней имеются в зародыше все позднейшие типы мировоззрения».
Человек правильно видит природу. Мы могли бы проиллюстрировать эту мысль и еще на одном примере: на учении Аристотеля о квинтэссенции.
Мы называем квинтэссенцией самое отборное, наилучшее; для нас это слово — синоним тончайшего и ценнейшего в предмете. Буквально здесь не так, но по существу совпадает со смыслом, вложенным в это слово его изобретателем.
Понятие «квинтэссенция», буквально «пятая сущность», было придумано в развитие Эмпедоклова учения о четырех стихиях. По Аристотелю, квинтэссенция — сущность, примиряющая противоречивые качества вещей. А ведь такая сущность действительно самое тонкое и важное в предмете: это следующий шаг, это новые поиски и находки. В квинтэссенции затаена идея прогресса: во все времена движение вперед начиналось с попыток примирить противоречия.
Есть своя квинтэссенция и в современных представлениях о различных состояниях вещества. Что же она примиряет?
Вот противоречие номер один: плотность и очень высокая температура. Не только у человека несведущего, но и у знающего физику легко (и обоснованно) может сложиться впечатление, что в общем-то эти свойства тел взаимно отталкиваются друг от друга. В практике людей максимальной плотностью обладают твердые тела. Если последние нагревать, то связи между молекулами (а потом и внутри них) станут ослабевать и вещество будет переходить во все менее плотные состояния.
Теоретические исследования внутреннего строения звезд, однако, показали, что высокие температуры прекрасно уживаются с высокими плотностями материи.
Существуют, например, так называемые белые карлики — слабо светящиеся, медленно угасающие звезды. Они невероятно плотны. 1 кубический сантиметр вещества такого небесного тела может весить тонны и даже около 100 тонн. Это во много раз плотнее вещества Солнца, 1 кубический сантиметр которого (в центре Солнца) весит всего 100 граммов.
Из-за своей огромной массы и сравнительно небольших размеров белый карлик обладает гравитационными полями (полями тяжести) в сотни тысяч и в миллионы раз большими, чем поле Земли. Поэтому поверхность такой звезды представляет собой почти идеальную сферу: горы на ней не могут быть выше нескольких миллиметров, а атмосфера — нескольких метров.
