плазма

Качели, которые раскачиваются на горке с зубцами, ведут себя странно: без толчков они застревают в первой же впадине, а от ритмичных ударов могут поехать вверх, вниз или замереть. Именно такую картину увидели физики, когда посадили одну пылинку в ловушку с пилообразным дном и начали поочерёдно толкать её лазерными лучами. Пылинка размером 13 микрометров при лёгких толчках разгонялась до 0,95 мм/с.

В кольцевом канале между двумя зубчатыми кольцами висят микросферы: одни радиусом 8 микрометров, другие 14. Включается разряд, и частицы приходят в движение. Мелкие едут в одну сторону, крупные в другую. Словно в торговом центре, где для людей разного роста работают эскалаторы, движущиеся навстречу друг другу.

Качели, которые раскачиваются на горке с зубцами, ведут себя странно: без толчков они застревают в первой же впадине, а от ритмичных ударов могут поехать вверх, вниз или замереть. Именно такую картину увидели физики, когда посадили одну пылинку в ловушку с пилообразным дном и начали поочерёдно толкать её лазерными лучами. Пылинка размером 13 микрометров при лёгких толчках разгонялась до 0,95 мм/с.

В кольцевом канале между двумя зубчатыми кольцами висят микросферы: одни радиусом 8 микрометров, другие 14. Включается разряд, и частицы приходят в движение. Мелкие едут в одну сторону, крупные в другую. Словно в торговом центре, где для людей разного роста работают эскалаторы, движущиеся навстречу друг другу.

По узкой дороге навстречу друг другу идут два каравана. Один — широкий и медленный, везёт груз плотности. Другой — вереница лёгких повозок с током, проскальзывает между первыми. Так в разряде магнетрона сосуществуют две структуры, вращающиеся в противоположные стороны: спица плотности и нити тока.

Лазерный импульс врезается в облако газа и выбивает из него электроны, оставляя за собой пузырь — полость, где почти нет частиц. Этот пузырь летит сквозь плазму почти со скоростью света, а его стенки тянут за собой попавшие внутрь электроны, как быстроходный катер тянет за собой водного лыжника.

Штурман с бумажной картой прокладывает маршрут до выхода в море. Если океан изменится — течение сдвинется, ветер усилится, — карта останется прежней. Судно пойдёт по устаревшему пути, и экипажу придётся вручную корректировать курс.

В 1054 году в созвездии Тельца вспыхнула звезда. Свет от её гибели был так ярок, что её видели днём почти месяц — китайские астрономы записали это в хроники. Сегодня на том месте расползается Крабовидная туманность, и её клешни — это облака газа, которые до сих пор разгоняет мёртвая звезда в центре.

На Солнце есть слой, который называют хромосферой. Он расположен прямо над видимой поверхностью — фотосферой, и именно там часто вспыхивают яркие дуги. Их видно в телескоп, но чтобы понять, что их зажигает, нужно заглянуть в невидимые магнитные поля. Астрономы навели шведский солнечный телескоп на область, где магнитное поле закручено, как жгут из множества нитей.

Плазма — это ионизированный газ, в котором электроны оторваны от атомов и свободно движутся. Иногда в такой среде самопроизвольно возникают области, где электронов почти нет; их называют дырами. Словно в потоке воды появляется воронка, затягивающая всё вокруг. Но как именно рождается эта воронка — долго оставалось загадкой.

Медная пластинка размером с монету испаряется под ударом лазера за миллиардные доли секунды. Горячее облако меди врезается в холодный гелий, как струя пара в морозный воздух. На снимках виден чёткий пузырь с тонкими нитями по краям — плазма не расширяется ровно, а распадается на волокна толщиной с человеческий волос.

В кастрюле с кипящим супом лёгкие крупинки жира всплывают наверх, а тяжёлые кусочки овощей оседают на дно. Аналогичная картина — гравитационное расслоение — наблюдается в разреженном горячем газе вокруг Солнца и других звёзд, но вместо бульона там смесь заряженных частиц: электронов, протонов и альфа-частиц (ядер гелия, состоящих из двух протонов и двух нейтронов).

Чтобы заглянуть глубже в устройство мира, физики разгоняют электроны и сталкивают их между собой. У обычного электрона есть собственный момент импульса — спин, который можно представить как ось вращения крошечного волчка. В обычном пучке эти оси направлены хаотично.

Солнце — это гигантский котёл, где свет пробивается сквозь толщу раскалённого вещества. На пути к поверхности фотоны (частицы света) то и дело натыкаются на атомы и теряют энергию. Насколько сильно вещество задерживает свет — это «непрозрачность», и от неё зависит, как быстро тепло выбирается наружу.

Кипящая вода в кастрюле — вот с чего стоит начать. Пузыри пара всплывают, лопаются, и поверхность успокаивается. Примерно так же в первые мгновения жизни Вселенной могло вести себя особое поле, заполнявшее пространство: в нём надувались и сталкивались пузыри новой фазы — как островки пара в жидкости.

Плазма — это не просто горячий газ, а целый оркестр заряженных частиц, где каждая группа играет свою партию. Тяжёлые ионы (атомы, потерявшие электроны) задают медленный ритм, а лёгкие электроны носятся в десять тысяч раз быстрее.

Обычная перекись бензоила — то самое вещество из кремов против акне — умеет не только подсушивать кожу. Она выделяет активный кислород, который разрушает оболочки бактерий. Но в одиночку ей не всегда хватает силы. Помощником может стать холодная плазма — ионизированный газ почти комнатной температуры.

Водопад, который не нагревается от падения, а замерзает, — примерно так ведёт себя газ, стекающий на нейтронную звезду в рентгеновском пульсаре, когда звезда светит тускло. Обычно падающая материя раскаляется добела, но новая работа показывает обратное.

В мире, закованном в кристаллическую решётку и охлаждённом почти до абсолютного нуля, материя умеет скрывать свои главные тайны. Квантовая спиновая жидкость — состояние, где спины электронов никогда не замирают даже при нулевой температуре, оставаясь в вечно мерцающей суперпозиции.

Внутри планет и звёзд, во вращающихся океанах плазмы, сталкиваются турбулентные потоки, силы Кориолиса и магнитное натяжение. Главная интрига — как энергия этого хаоса кристаллизуется в устойчивый магнитный каркас, способный просуществовать миллиарды лет.

Протонный сгусток влетает в облако плазмы — и за ним остаётся невидимый след: электрическая волна. Эта волна может подхватить другие частицы и разогнать их до огромных энергий. Но управлять ею трудно: слишком много деталей в поведении плазмы. Карл Шварцшильд когда-то искал простые решения сложных уравнений — здесь нужен похожий подход.

Внутри термоядерного реактора бушует плазма — газ, раскалённый до миллионов градусов. Прямых окон туда нет, а камеры и датчики быстро выходят из строя. Инженеры видят лишь обрывки информации: несколько сенсоров в разных точках. Это похоже на попытку понять симфонию по звуку трёх микрофонов в огромном зале.

В огромных облаках разреженного газа, заполняющих пространство между звёздами, постоянно что-то бурлит. Взрывы сверхновых, сталкивающиеся потоки — всё это встряхивает плазму. И в этой ряби, как выяснилось, прячется механизм рождения магнитных полей. Плазма — это газ, в котором электроны оторваны от атомов.

Обычный лазер — это резонатор, где свет мечется между зеркалами и усиливается. Но зеркала можно убрать, а свет заставить кружиться в крошечной частице, которая меньше самой световой волны. Именно так работают новые лазеры из наночастиц фосфида индия, помещённых на идеально гладкое золото.

Крошечные семена жизни, возможно, способны пересекать межзвёздную пустоту на ледяных странниках — кометах, таких как 3I/ATLAS. Космический телескоп Джеймса Уэбба впервые обнаружил на ней воду и метан, а метод спектроскопии — анализа света, прошедшего сквозь газовую оболочку — выявил необычный состав газов.

Раскалённый газ под давлением в миллионы атмосфер — как в центре Юпитера или внутри лазерной мишени — ведёт себя хитро. Электроны срываются с атомов и образуют общее облако, которое непрерывно перестраивается. Чтобы рассчитать такое состояние на компьютере, обычно решают громоздкие уравнения для каждого электрона.

Заводской лазер, который на производстве режет и сваривает металл, впервые заставили работать ускорителем частиц. Физики взяли стандартный иттербиевый лазер — его сердцевина из кристалла размером с ладонь — и превратили его вспышки в инструмент для разгона электронов почти до скорости света.

Космос полон невидимых спринтеров — частиц, мчащихся почти со скоростью света. Их ловят в солнечном ветре, у нейтронных звёзд и даже в межгалактической пустоте между галактиками. Но что разгоняет их там, где нет ни ударных волн, ни магнитных пересоединений?

Толпа людей заперта в узком коридоре между двумя рядами зеркал. Время от времени кто-то с силой толкает стену, и по коридору прокатывается гул — так и в плазме галактических скоплений появляются волны-свисты и ионно-циклотронные волны. Их создают заряженные частицы, оказавшиеся в ловушке магнитных ям (областей с ослабленным полем, где частицы отражаются, как от зеркал).

Мощный фен, который дует не тёплым воздухом, а раскалённой добела плазмой, — такие установки называют плазменными аэродинамическими трубами. Они нужны, чтобы на Земле проверить, как космический корабль войдёт в атмосферу. Внутри трубы газ разогревается до тысяч градусов, и часть энергии уходит не с потоком газа и не в стенки, а просто улетает в виде света — как от лампочки.

Сразу после Большого взрыва в космосе могли плавать сгустки весом в триллион солнц и с электрическим зарядом колоссальной силы — как триллионы наэлектризованных шариков.

Когда вещество разогревают до миллионов градусов, оно превращается в плазму — смесь свободных электронов и ионов, похожую на кипящий суп из заряженных частиц. Заглянуть в такой «суп» обычным термометром нельзя, но можно просветить его рентгеновскими лучами.

Поток электронов влетает в плазму, как струя воды бьёт в спокойный пруд. Струя возмущает поверхность, рождая волны, которые быстро растут и перемешивают воду. В плазме такой процесс называется неустойчивостью Бунемана: электронный пучок раскачивает колебания, которые затем рассеивают его энергию.

Пылинка висит в воздухе, удерживаемая невидимым лучом света. Вокруг неё — обычный воздух, но иногда по пылинке проскакивает крошечная искра. Учёные впервые рассмотрели такие разряды вблизи и выяснили, что их запускает не сама пылинка, а невидимые гости из космоса и из земли. Лазерный пинцет (луч, который может держать микроскопические предметы) удерживал пылинку размером с бактерию.

Поток раскалённого газа мчится от звезды — и вдруг глохнет, словно налетев на невидимую стену. Именно это увидели исследователи, когда попробовали воспроизвести звёздный выброс в лабораторном масштабе. Они взяли лазер, создали струю плазмы и пустили её через магнитное поле — сначала слабое, а потом сильное, как у многих звёзд.

В плотном облаке газа и пыли, где рождаются звёзды-гиганты, телескоп ALMA разглядел нечто знакомое. Четыре тонкие струи газа вылетают из одной и той же области, и каждая оставляет за собой цепочку ярких узелков — как пунктирная линия. Каждый узелок — это отдельный «выстрел»: звезда выбрасывает газ не ровным потоком, а порциями, с перерывами. Две струи изгибаются, как буква S.

Возле чёрных дыр и нейтронных звёзд плазма бурлит, как вода в кипящем чайнике. Но в этом «чайнике» нет стенок — только магнитные поля, которые скручиваются и рвутся. В местах разрывов возникают тонкие слои, где магнитное поле пересоединяется, и частицы получают пинок, как сёрфер на волне.

Гамма-всплеск — это короткая, но очень мощная вспышка света, какие рождаются при слиянии нейтронных звёзд или коллапсе массивной звезды. Внутри такой вспышки потоки плазмы несутся с огромной скоростью и сталкиваются друг с другом.

Магнитная ловушка в форме бублика удерживает плазму из бора и водорода. Внутри неё температура поднимается выше ста миллионов градусов — жарче, чем в центре Солнца. При такой жаре ядра сталкиваются и сливаются, выделяя энергию.

Вода в чайнике закипает — и по кухне расходятся волны пара. В космосе похожий процесс идёт в плазме — газе, разогретом так сильно, что электроны отрываются от атомов. Вокруг чёрных дыр и нейтронных звёзд эта плазма не просто горячая: частицы в ней носятся почти со скоростью света.