فيزياء البلازما physics.plasm-ph

شعاع مصباح يدوي، بعد مروره عبر شق ضيق، لا يبقى شريطًا رفيعًا، بل ينتشر جانبًا. من طبيعة الضوء أن ينحني حول حواف العوائق، ولهذا السبب فإن أصغر بقعة ضوئية يمكن الحصول عليها بعدسة عادية لا تقل عن نصف طول الموجة. بدا هذا الحدّ عصيًا على الكسر، حتى ظهرت فكرة تمرير الضوء عبر ثقب إبرة مع إبقائه رفيعًا.

في أعماق النجوم، تندمج النوى الخفيفة منتجة الهيليوم وتيارات من النيوترونات. على الأرض، تُعاد هذه العملية عبر دمج الديوتيريوم والتريتيوم — وهما نظيران خاصان من الهيدروجين، يحتويان على نيوترون واحد ونيوترونين على التوالي.

يُشبه مفاعل الاندماج النووي مرجلًا عملاقًا يُطهى فيه الهيليوم من الهيدروجين. تصل حرارة البلازما فيه إلى 150 مليون درجة، أي أكثر سخونةً من نواة الشمس بعشر مرات. لكن، كما في أي مرجل، تتكون هنا ترسبات: شوائب ضارة تتراكم على الجدران وتُخمد البلازما. اقترح الفيزيائيون صنع الجدران من مادة إسفنجية تمتص الشوائب وتمنعها من العودة إلى الوقود.

المغناطيسار هو نجم نيوتروني يملك مجالًا مغناطيسيًا أقوى بمقدار كوادريليون مرة من مجال الأرض. من وقت لآخر، يقذف هذا الجسم كتلة من البلازما تشبه بالونًا منفوخًا؛ وفي داخلها تتحرك خطوط القوى المغناطيسية كأنها آلاف النوابض غير المرئية.

في مطبخ كل منا غلاية، لكن قليلين هم من ينقعون الأعشاب بماء مرّ عبره تفريغ كهربائي للتو. هذا بالضبط ما فعله الباحثون بأوراق النيم والتولسي — نباتين استُخدما في الهند لقرون كأدوية طبيعية. أولاً، «نشّطوا» الماء بالبلازما: مرّروا عبره تفريغًا كهربائيًا متوهجًا يشبه برقًا مصغرًا. ثم نقعوا الأعشاب في هذا الماء وراقبوا ما الذي تغيّر.

حزمة الأيونات الثقيلة في المسرع تشبه حشداً من الناس يدفع بعضهم بعضاً بالمرفقين: كلما زاد العدد، اتسع الحشد. الجسيمات المشحونة تتنافر، وعند تيار يتجاوز بضعة ميكروأمبيرات، تتمدد الحزمة وتفقد شكلها. بالنسبة للجسيمات الخفيفة، هذا مقبول، لكن بالنسبة للثقيلة مثل أيونات الذهب، المشكلة حادة: فهي تطير ببطء، والتنافر يتمكن من إفساد الحزمة. قام مؤلفو العمل بأخذ مسرع متعدد المراحل موجود مسبقاً وتغيير الفولتية على مراحله.

أكد بحث جديد أن موجات الصدمة في البلازما المحيطة بـ الثقوب السوداء فائقة الضخامة في مراكز المجرات تعمل مثل أمواج المحيط العاتية، فتعمل على تسريع البروتونات إلى سرعات تقارب سرعة الضوء.

في البلازما شديدة الحرارة — وهي غاز من الجسيمات المشحونة — تعمل الحقول الكهربائية الفوضوية كنوع من المنخل. الجسيم البطيء يحيط نفسه بسحابة من الجسيمات ذات الشحنة المعاكسة — "معطف" من الاستقطاب يحجب الحقل الخارجي ويمنعه من التأثير على الجسيم. أما الجسيم السريع فيتحرك بسرعة كبيرة جدًا بحيث لا يستطيع الاحتفاظ بهذه السحابة، فيتخلص من "درعه" ويقع تحت التأثير المتسارع المباشر للحقل.

تحدث على الشمس بين الحين والآخر قذفات بلازما قصيرة تُعرف بالنفاثات النانوية. حجمها بحجم مدينة صغيرة، وتنطلق بسرعة مئات الكيلومترات في الثانية، وتختفي في أقل من نصف دقيقة. كل ومضة من هذه الومضات تشبه انفجارًا صغيرًا يقذف غازًا ساخنًا إلى الأعلى.

الماء في الكأس يهدأ إذا توقفت عن تحريكه. الزيت في المحرك يخمد الاهتزازات. يبدو أن اللزوجة دائمًا مرتبطة بالتخامد. لكن في بعض التدفقات يحدث العكس تمامًا: أضف الاحتكاك — وستبدأ الأمواج في النمو، وكأنها تنبثق من العدم. وجد الفيزيائيون تفسيرًا بسيطًا. هذه الأنظمة تمتلك مخزونًا خفيًا من الطاقة، محبوسًا بتناظر خاص — يُدعى تناظر PT.

الغاز الملتهب الذي يتدفق من الشمس ليس تيارًا متواصلًا، بل هو أقرب إلى حساء من الجسيمات المشحونة. في هذا الحساء، تَغلي الموجات بين الحين والآخر: حقول كهربائية تومض وتخفت، مثل تموجات على سطح الماء عندما تُلقى فيه حصاة. إحدى هذه الموجات هي الموجة الصوتية الأيونية-الأيونية (ion-ion acoustic wave). تنشأ عندما يتحرك نوعان من الأيونات (ذرات فقدت إلكتروناتها) بسرعات مختلفة.

إن إشعال شمس مصغرة هو حلم قديم للبشرية. عادةً ما يحاول العلماء احتجاز بلازما ملتهبة (غاز من جسيمات مشحونة) عند درجات حرارة تصل إلى مئات الملايين من الدرجات. لكن البلازما تسعى للانفلات من المصائد المغناطيسية، ويكلف احتجازها نفقات هائلة. يقدم بحث جديد مسارًا آخر: عدم تسخين كل الوقود، بل إطلاق شعاع من الجسيمات السريعة نحو هدف.

حبة القمح تشبه مسافرًا نائمًا في أرض باردة: ليستيقظ، يحتاج إلى مطر دافئ. وجد علماء في الهند طريقة لإيقاظه دون مواد كيميائية — باستخدام البلازما الباردة، تلك التي تتوهج في مصابيح النيون. البلازما هي غاز فقدت فيه بعض الذرات إلكتروناتها. إنها تخدش غلاف البذرة قليلًا، فيتغلغل الماء إلى الداخل بسرعة أكبر.

داخل التوكاماك، وهو كعكة مغناطيسية ضخمة، تصل حرارة البلازما إلى مئات الملايين من الدرجات. لا تلامس البلازما الجدران، بل تطفو في الفراغ محتجزة بحقول مغناطيسية غير مرئية. لكن البلازما متقلبة: أدنى تغير في التيار أو الضغط يجعل شكلها يتموج مثل الهلام على طبق. ولإبقائها في مكانها، يجب معرفة موقعها بدقة كل ميلي ثانية. البرامج التقليدية لهذا الغرض بطيئة جدًا.

مفاعل الاندماج النووي يشبه أوركسترا، حيث البلازما هي اللحن والملفات المغناطيسية هي العازفون. إذا عزف أحد الآلات بنشاز، تنهار السيمفونية بأكملها. في توكاماك SPARC قيد الإنشاء (منشأة مدمجة ذات مجال مغناطيسي قوي بشكل قياسي)، حتى أدق خطأ في شكل الملفات يمكن أن يسبب اهتزازات خطيرة في البلازما قد تعطل التفاعل.

تبعث الشمس باستمرار تيارًا من الجسيمات المشحونة، يتكون أساسًا من الهيدروجين – الرياح الشمسية. أحيانًا تقذف الشمس كتلًا كثيفة من الغاز الممغنط، يسود داخلها الهدوء عادةً. لكن في عام 2000، لاحظ العلماء في إحدى هذه السحب منطقتين يضطرب فيهما الغاز.

البلازما في مفاعل الاندماج النووي تشبه سربًا من اليراعات يجب حبسه في وعاء غير مرئي. كان يُعتقد سابقًا أن جدران الوعاء يجب أن تكون ناعمة تمامًا، وإلا ستجد اليراعات شقًا وتطير بعيدًا. العمل الجديد يُظهر أن الوعاء يمكن أن يُلصق من قطع ذات دروز ملحوظة، ومع ذلك يبقى السرب في الداخل.

مفاعل الاندماج النووي هو محاولة لحبس شمس صغيرة داخل قفص مغناطيسي. ولكي تمنحنا طاقة أكبر، يجب ضغط البلازما بكثافة أعلى. لكن لدى التوكاماك سياجًا غير مرئي: بمجرد أن تتجاوز الكثافة حدًا معينًا، ترتجف البلازما وتتفكك. هذا الانهيار هو أحد الألغاز الرئيسية في الطريق إلى الطاقة النظيفة.

نبضة ليزر قصيرة تضرب الهواء — فتشتعل عند نقطة الاصطدام شرارة صغيرة تشبه البرق الخاطف. تعيش هذه الشرارة أطول مما يبدو: فالتوهج الساطع يظل مرئيًا لنصف ميلي ثانية، بينما يستمر التوهج الخافت قرابة عشرين ميلي ثانية. طوال هذا الوقت، تندفع الإلكترونات الحرة داخل البلازما، ولأول مرة تمكن العلماء من قياس عددها ودرجة حرارتها بدقة.

في قدرٍ يغلي فيه الحساء، تتصاعد فقاعات صغيرة، لكن سرعان ما تبدأ التيارات الكبيرة في الهيمنة. ظاهرة مشابهة تحدث في البلازما الكونية، حيث تتصرف المجالات المغناطيسية كخيوط متشابكة. في الاضطراب، تنتقل الطاقة المغناطيسية عادةً من المقاييس الكبيرة إلى الصغيرة، لكن في الوسط المهيمن مغناطيسيًا يحدث العكس: تنتقل الطاقة من الدوامات الصغيرة إلى الكبيرة.

في تيار الجسيمات المشحونة الذي ينبعث باستمرار من الشمس، تظهر أحيانًا ومضات راديوية — إشارات قصيرة قوية على تردد يمكن التقاطه بجهاز راديو عادي. حتى الآن، كان من غير الواضح كيف تولد هذه الإشارات داخل هذا التيار. الآن، ولأول مرة، رصدت أجهزة المسبار الفضائي Solar Orbiter العملية برمتها بأم العين. الشمس تقذف حزمًا من الإلكترونات — جسيمات ذات شحنة سالبة.

البلازما الساخنة أشبه بسرب من اليراعات السريعة تندفع داخل قارورة. إبقاؤها في مصيدة مغناطيسية مفتوحة يشبه إجبار اليراعات على ألا تلمس الجدران. النموذج الحاسوبي الجديد يُظهر كيف نفعل ذلك بدقة أكبر. الأيونات والإلكترونات في البلازما تتصادم باستمرار، متبادلةً الطاقة. في الحسابات السابقة، كانت هذه التصادمات تُبسَّط أو تُهمَل أحيانًا.

البلازما الساخنة في مفاعل الاندماج النووي المستقبلي تشبه حلبة رقص مزدحمة: مليارات الجسيمات تدور في إيقاع معقد، تتصادم وتغير سرعاتها. فهم مدى تشابك هذه الرقصة ليس بالمهمة السهلة. وجد العلماء طريقة لقياس تعقيدها دون التحديق في كل حركة. لقد استخدموا أداة رياضية تفكك الرقصة إلى حركات بسيطة منفصلة، مثلما يفكك الوتر الموسيقي إلى نغمات.

البلازما هي غاز مسخن بشدة لدرجة أن الإلكترونات تنفصل عن الذرات. تجري فيها موجات تشبه الصوت في الهواء، لكن المجال المغناطيسي يتحكم فيها. إذا أصبح المجال المغناطيسي غير متجانس، بل دوريًا — مثل سياج بألواح متناوبة — فإن الموجات تتصرف بشكل مختلف. بعض الترددات تختفي ببساطة: لا يمكن للموجة أن تنتشر، بل تنعكس إلى الخلف.

يضرب الليزر الهدف، وينطلق إلى الحجرة سحابة من البلازما مسرعة إلى مئات الكيلومترات في الثانية. حولها ليس فراغًا: الحجرة مليئة بغاز مخلخل يلعب دور الوسط الكوني. تصطدم البلازما بهذا الغاز مثل زورق سريع يصطدم بمياه راكدة، وتبدأ في دفعه أمامها. ولكن بدلاً من أن يتشتت ببساطة، يجمع التدفق بشكل غير متوقع جزءًا من الغاز في كتلة كثيفة تطير معه.

التوهج الشمسي كالرعد في سماء صافية: انفجار طاقة قصير لكنه عنيف. التقط التلسكوب الراديوي ميركات في جنوب أفريقيا أحد هذه التوهجات من الفئة M1.3 وفحصه بدقة غير مسبوقة. الأدوات المعتادة ترى إما تفاصيل ساطعة أو خافتة، لكن ليس كلاهما معًا. تمكن ميركات من رؤيتهما معًا، مثل أذن تسمع دق الطبلة وحفيف الأوراق في آن واحد. في نطاق الراديو، ظهر التوهج كمصادر منفصلة متعددة.

في توكاماك، البلازما مثل حشد في شارع ضيق: بمجرد أن يبدأ أحدهم بالركض، ينطلق الجميع دفعة واحدة. في ستيلاراتور ذي مقطع غير دائري، الشارع متعرج، به طرق مسدودة وجيوب. لا يمكن للحشد أن يتجمع في موجة واحدة — يعلق الناس في زوايا مختلفة. هكذا هي موجات البلازما: في الهندسة ثلاثية الأبعاد، تتوضع محليًا مثل الصوت في متاهة. أظهر العلماء أن عدم الاستقرار في الستيلاراتور يتحول إلى شبكة من حزم موجية منفصلة.

نبض الليزر الذي يجري عبر البلازما يشبه عداءًا يشق طريقه وسط حشد من الناس. فهو يدفع الإلكترونات جانبًا، تاركًا خلفه قناة منخفضة الكثافة — تمامًا كما يفسح الحشد الطريق أمام العداء السريع. داخل هذه القناة، يتحرك قمة موجة الضوء أسرع قليلًا من الضوء في الفراغ، وهذه السرعة هي التي تحدد مدى كفاءة النبض في نقل الطاقة إلى الجسيمات.

العاشر من أكتوبر 2024. أطلقت الشمس سحابة من البلازما الممغنطة باتجاه الأرض — وقامت أربعة مركبات فضائية، تقف عند نقطة واحدة بين الشمس والأرض، بتسجيل كيفية غليان هذه السحابة في وقت واحد. المسافة بين المسبارين الأقصىين هي 80 نصف قطر أرضي فقط، أي حوالي نصف مليون كيلومتر. وبالمقاييس الكونية، هذا مثل أربعة عوامات في ميناء واحد. لكن تسجيلات العوامات كانت مختلفة.

البلازما هي غاز انفصلت فيه الإلكترونات عن الذرات، وهو موصل للكهرباء. في الفضاء، غالبًا ما يكون هذا الغاز منخفض الكثافة لدرجة أن الجسيمات نادرًا ما تتصادم، ويُوصف سلوكه بمعادلات حركة كل جسيم على حدة. الطريقة الحاسوبية المعروفة باسم Particle-in-Cell (PIC) تفعل ذلك تمامًا: فهي تتابع ملايين الجسيمات والمجالات الكهربائية التي تولدها. لكن الفضاء ليس ثابتًا.

تبعث الشمس باستمرار تيارًا من الجسيمات المشحونة — الرياح الشمسية. ومن بينها العديد من الإلكترونات، وبعضها يطير عائدًا نحو الشمس. لكن الملاحظات تُظهر أن عدد الإلكترونات العائدة أقل مما ينبغي. كان يُعتقد سابقًا أن السبب هو المجال الكهربائي للشمس الذي يبطئ الجسيمات. يقترح بحث جديد تفسيرًا مختلفًا.

يلتقط التلسكوب الراديوي إشارة من سديم السرطان، وبدلاً من خط مستقيم تظهر على الشاشة خطوط فاتحة وداكنة، مثل جلد الحمار الوحشي. هذا هو انبعاث النجم النابض (pulsar) — نجم نيوتروني سريع الدوران خلفه انفجار مستعر أعظم. تنشأ الخطوط لأن موجات الراديو تصل إلينا ليس عبر مسار واحد بل عبر عدة مسارات، وتتراكب مع بعضها البعض، مثل الدوائر الناتجة عن رمي حجرين في الماء.

البلازما ليست مجرد غاز ساخن، بل خليط من الجسيمات المشحونة التي تتحرك باستمرار وتنشئ مجالات مغناطيسية. عندما تغلي البلازما، تتشابك هذه المجالات مثل المعكرونة في قدر يغلي. حاكى العلماء على الحاسوب ما يحدث عندما يهدأ الغليان ويخمد الاضطراب.

مصادر الضوء السيني الحديثة تشبه أوركسترا بلا قائد: الإلكترونات في الحزمة تطير بشكل عشوائي، فيكون الإشعاع غير واضح. الفكرة الجديدة هي جعل الإلكترونات تصطف في صفوف منتظمة بمسافات تبلغ بضعة نانومترات. عندها يصبح الضوء المنبعث منها مترابطًا (coherent)، مثل شعاع الليزر. لتحقيق ذلك، يتم توجيه ليزرين ضعيفين إلى بلازما (غاز من الجسيمات المشحونة) بحيث يتقاطعان.

قبل كل إطلاق للتوكاماك — المنشأة التي يُحتجز فيها الغاز شديد الحرارة بواسطة مجال مغناطيسي — يقضي المشغلون ساعات في حساب سلوك البلازما. فالثمن باهظ للخطأ: معلمة واحدة خاطئة قد تفسد التجربة. الآن تأتي الشبكة العصبية للنجدة، إذ تتعلم من عمليات الإطلاق السابقة وتصدر توقعًا أسرع من طرفة عين.

داخل مفاعل الاندماج النووي المستقبلي، سوف يطفو مغناطيس بوزن سيارة صغيرة. إنه يمسك البلازما شديدة الحرارة كما تمسك يد خفية سحابة. في السابق، كان يُعتقد أن مثل هذا المغناطيس غير مناسب لوقود الديوتيريوم والتريتيوم: فتدفقات النيوترونات كانت تدمره بسرعة. الآن، ابتكر المهندسون طريقة لحماية المغناطيس واستبدال الجزء التالف.

تضرب موجة الانفجار السطح، فيبدأ يتجعد مثل سجادة جُرّ عليها ظفر فجأة. تنمو هذه التجاعيد وتلتف إلى دوامات تخلط كل ما حولها. في الاندماج النووي الحراري، هذا الخلط كارثة حقيقية: الوقود لا ينضغط بشكل متساوٍ، ويخمد التفاعل. وجد الفيزيائيون طريقة لإيقاف هذه العملية دون لمس الموجة نفسها. طبعوا على طابعة ثلاثية الأبعاد هدفًا به فراغات تحت السطح.

نهر هادئ يبدأ فجأة بالغليان في مكان مستوٍ — هكذا تبدو اللغز الذي تناوله مؤلفو العمل الجديد. أخذوا طبقة رقيقة من الغاز المشحون بحقل مغناطيسي ضعيف جدًا وتتبعوا على الحاسوب ما سيحدث لها. في البداية، يتدفق كل شيء بسلاسة، مثل الماء من الصنبور. ثم في مكان ما، تصبح الطبقة أرق، وتبدأ خطوط المجال المغناطيسي التي كانت متوازية في السابق بالتمزق وإعادة الاتصال.

في البلازما التي تبقى فيها بعض الذرات محايدة، يمكن للخطوط المغناطيسية أن تعيد ترتيب نفسها بسرعات مختلفة. هذا يشبه شريطين مطاطيين متشابكين، ثم ينفصلان فجأة وينكمشان، محررين الطاقة. في العمل الجديد، قام الفيزيائيون لأول مرة بمسح معلمتين في وقت واحد: نسبة الجسيمات المتأينة وتكرار التصادمات بين الأيونات والجسيمات المحايدة.

في كل مرة يندمج فيها الديوتيريوم والتريتيوم داخل مفاعل الاندماج النووي، ينطلق نيوترون سريع. يمكن لهذا النيوترون أن يحول بعض المواد إلى أخرى، على سبيل المثال، إنتاج نظائر ثمينة للطب. اليوم، هذه النيوترونات باهظة الثمن بشكل خيالي، لأن عدد المنشآت التجريبية قليل وهي تعمل نادرًا.