پلاسما، حالت چهارم ماده: شگفت‌انگیز و سرشار از پتانسیل

در مدارس ابتدایی آموزش می‌دهند ماده در سه حالت موجود است: جامد، مایع و گاز؛ اما آن‌ها حالت پلاسما (یک نوع خاص از گاز برقی) را فراموش کرده‌اند. پلاسمای طبیعی به‌ندرت پیدا می‌شود، اما از طریق شفق‌های شمالی یا مشاهده‌ی نور خورشید از طریق یک فیلتر ویژه یا بیرون بردن سر از پنجره در طول طوفان نوری می‌توان آن را مشاهده کرد. پلاسما با وجود ماهیت کمیابی که در زندگی روزمره دارد، بیش از ۹۹ درصد از ماده‌ی مرئی موجود در جهان را تشکیل می‌دهند (اگر ماده‌ی تاریک را فاکتور بگیریم).فیزیک پلاسما غنی است و به‌دلیل خاصیت‌های ویژه و منحصربه‌فرد حوزه‌ی وسیعی از پژوهش‌ها را به خود اختصاص داده است. در بعضی حوزه‌های علمی، انرژی ذهنی از زیبایی نظریه‌های زمینه‌ای و جست‌وجوی قوانین اساسی و عمیق سرچشمه می‌گیرد، برای مثال می‌توان به نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین یا تلاش نظریه‌پرداز‌های رشته‌ای…

پلاسما، حالت چهارم ماده: شگفت‌انگیز و سرشار از پتانسیل

 

در مدارس ابتدایی آموزش می‌دهند ماده در سه حالت موجود است: جامد، مایع و گاز؛ اما آن‌ها حالت پلاسما (یک نوع خاص از گاز برقی) را فراموش کرده‌اند. پلاسمای طبیعی به‌ندرت پیدا می‌شود، اما از طریق شفق‌های شمالی یا مشاهده‌ی نور خورشید از طریق یک فیلتر ویژه یا بیرون بردن سر از پنجره در طول طوفان نوری می‌توان آن را مشاهده کرد. پلاسما با وجود ماهیت کمیابی که در زندگی روزمره دارد، بیش از ۹۹ درصد از ماده‌ی مرئی موجود در جهان را تشکیل می‌دهند (اگر ماده‌ی تاریک را فاکتور بگیریم).

فیزیک پلاسما غنی است و به‌دلیل خاصیت‌های ویژه و منحصربه‌فرد حوزه‌ی وسیعی از پژوهش‌ها را به خود اختصاص داده است. در بعضی حوزه‌های علمی، انرژی ذهنی از زیبایی نظریه‌های زمینه‌ای و جست‌وجوی قوانین اساسی و عمیق سرچشمه می‌گیرد، برای مثال می‌توان به نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین یا تلاش نظریه‌پرداز‌های رشته‌ای برای جایگزینی مدل استاندارد ذرات زیراتمی با مجراهای متناوب انرژی اشاره کرد. در بررسی پلاسما هم از ساختارهای ریاضی برجسته استفاده می‌شود؛ اما این بررسی برخلاف دیگر بررسی‌های مشابه بر اساس کاربردهای موجود در جهان واقعی انجام می‌شود.

شفق

پلاسما چگونه به‌وجود می‌آید؟

فرض کنید بخواهید یک ظرف پر از یخ را گرم کنید و روند ذوب آن از حالت جامد به مایع و گاز را مشاهده کنید. با افزایش دما، انرژی و تحرک مولکول‌های آب افزایش پیدا می‌کند و به‌صورت آزادانه در اطراف حرکت می‌کنند. اگر در دمایی مثل ۱۲ هزار درجه‌ی سانتی‌گراد به کار خود ادامه دهید، اتم‌ها شروع به تجزیه می‌کنند. الکترون‌ها از هسته‌ی خود جدا می‌شوند و ذرات بارداری موسوم به یون را از خود باقی می‌گذارند که در گروهی از الکترون‌ها می‌چرخند. این شرایط دقیقا وضعیت پلاسما را نشان می‌دهد. ارتباط بین پلاسمای فیزیکی و پلاسمای خونی بیشتر از یک تصادف است. در سال ۱۹۲۷، شیمی‌دان آمریکایی ایروینگ لانگمویر مشاهده کرد که روش حمل الکترون‌ها، یون‌ها و مولکول‌ها در پلاسما و دیگر ناخالصی‌ها مشابه روش عبور پلاسمای خون حول گلبول‌ها سفید و سلول‌های نطفه است.

لانگمویر یکی از پیشتازان بررسی پلاسماها بوده است؛ او با همکار خود لوی تانکز به این نتیجه رسید که پلاسما بر اساس نوسان‌ سریع الکترون‌ها به‌دلیل رفتار جمعی ذرات قابل شناسایی است. یکی از دیگر ویژگی‌های جذاب پلاسما ظرفیت آن برای پشتیبانی از موج‌های هیدرومغناطیسی است (برآمدگی‌هایی که در امتداد خطوط میدان مغناطیسی در پلاسما حرکت می‌کنند و حرکت آن‌ها مشابه نوسان‌های سیم گیتار است).

وقتی هانز آلفن، دانشمند سوئدی و برنده‌ی جایزه‌ نوبل برای اولین بار به وجود این موج‌ها در ۱۹۴۲ اعتراف کرد، جامعه‌ی فیزیک هنوز نسبت به این مسئله در شوک به سر می‌برد. اما انریکو فرمی، فیزیکی دان و عضو دانشگاه شیکاگو در یکی از سخنرانی‌های خود درمورد این نتیجه گفت: احتمال وجود چنین موجی مثبت است! از آن زمان بر سر صحیح بودن نتیجه‌ی آلفن توافق‌ شده است.

یکی از بزرگ‌ترین محرک‌های علم پلاسمای معاصر، وعده‌ی گداخت هسته‌ای کنترل‌شده است، در این فرآیند اتم‌ها با یکدیگر ادغام می‌شوند و با انفجارهای انرژی کنترل‌شده آزاد می‌شوند. به این صورت منبع امنی از توان و انرژی سبز محدود فراهم می‌شود، البته این فرآیند ساده نیست. قبل از این‌که این انفجار و گداخت روی زمین رخ دهد، پلاسما باید تا دمای بیش از ۱۰۰ میلیون درجه‌ی سانتی‌گراد گرم شود که تقریبا ۱۰ برابر داغ‌تر از دمای مرکز زمین است!

اما بازهم این پیچیده‌ترین بخش ماجرا نیست؛ پژوهشگرها در دهه‌ی ۱۹۹۰ موفق شدند به این دما و حتی دماهای بیشتر از آن هم برسند؛ اما مشکل اینجاست که پلاسمای داغ بسیار ناپایدار است و در یک حجم ثابت باقی نمی‌ماند، به‌بیان‌دیگر قرار دادن آن در یک محفظه و رساندن آن به مرحله‌ی کاربرد دشوار است. تلاش‌ برای دستیابی به گداخت هسته‌ای کنترل‌شده به دهه‌ی ۱۹۵۰ بازمی‌گردد. در آن زمان،  ایالات‌متحده و همین‌طور اتحاد جماهیر شوروی و بریتانیا به‌صورت محرمانه روی این فرآیند پژوهش می‌کردند. دانشگاه پرینستون در ایالات‌متحده مرکز این پژوهش‌ها بود.

پلاسما

فیزیک‌دانی به نام لیمان اسپیتزر پروژه‌ی ماترهورن را شروع کرد؛ در این پروژه گروهی از دانشمندان برای جرقه و بسته‌بندی گداخت در یک دستگاه به شکل هشت انگلیسی به نام استلاریتور تلاش کردند. در آن زمان تجهیزات کامپیوتری وجود نداشت و راه‌حل‌ها با محاسبات کاغذی پیاده‌سازی می‌شدند. بااینکه نتوانستند این پازل را حل کنند اما اصل انرژی را توسعه دادند و این اصل به روش قدرتمندی برای تست پایداری ایدئال پلاسما تبدیل شد. هم‌زمان دانشمندان در اتحاد جماهیر شوروی هم به توسعه‌ی یک دستگاه دیگر مشغول بودند. این دستگاه که به توکاماک معروف بود، توسط دو فیزیک‌دان به نام اندرو ساخاروف و ایگور تام طراحی شده بود و از یک میدان مغناطیسی قوی برای احاطه‌ی پلاسمای داغ به شکل یک دونات استفاده می‌کرد.

توکاماک در حفظ پایداری پلاسمای داغ عملکرد بهتری داشت و امروزه اغلب برنامه‌های پژوهشی گداخت به طراحی توکاماک وابسته هستند. به این منظور، کنسرسیوم چین، اتحادیه‌ی اروپا، هند، ژاپن، کره، روسیه و ایالات‌متحده برای ساخت بزرگ‌ترین رآکتور توکاماک با یکدیگر همکاری می‌کنند که انتظار می‌رود تا سال ۲۰۲۵ افتتاح شود.بااین‌حال در سال‌های اخیر، اشتیاق زیادی به استلاریتورها هم وجود داشته که بزرگ‌ترین نمونه‌ی آن در سال ۲۰۱۵ در آلمان افتتاح شد. سرمایه‌گذاری بر پژوهش‌های مرتبط با گداخت می‌تواند بهترین فرصت را برای دستیابی به موفقیت در اختیار ما بگذارد.

پلاسما با فیزیک فضای اطراف زمین گره خورده است، در این فضا اجرام از طریق خلاء و بادهای خورشیدی حمل می‌شوند. خوشبختانه میدان مغناطیسی زمین از ما در مقابل ذرات باردار پلاسما و تشعشعات مخرب بادهای خورشیدی محافظت می‌کند اما ماهواره‌ها، سفینه‌ها و فضانوردها در معرض این تهدید قرار دارند. ظرفیت آن‌ها برای بقا در این محیط متخاصم به درک و تطبیق ما با ویژگی‌های پلاسما وابسته است.

در یک حوزه‌ی جدید به نام  اقلیم فضایی نقش فیزیک پلاسما مشابه دینامیک سیالات در شرایط جوی، زمینی است. بیشتر پژوهش‌های مؤلف به اتصال مجدد مغناطیسی اختصاص یافته، در این فرآیند خطوط میدان مغناطیسی در پلاسما می‌توانند تفکیک شده و دوباره به یکدیگر بپیوندند و همین فرآیند منجر به انتشار سریع انرژی می‌شود. این فرآیند می‌تواند انرژی لازم برای انفجارهای خورشیدی مثل شعله‌های خورشیدی را فراهم کند، اگرچه هنوز جزئیات آن مشخص نیست. در آینده می‌توان طوفان‌های خورشیدی را (مشابه پیش‌بینی هوای بد در شهرها) پیش‌بینی کرد.

با نگاهی به گذشته (نه روبه‌جلو) در فضا و زمان می‌توان به دیدگاه‌های جدید فیزیک پلاسما درمورد نحوه‌ی شکل‌گیری ستاره‌ها، کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی پی برد. بر اساس مدل استاندارد کیهانی، پلاسما در جهان آغازین فراوانی بالایی داشته است؛ سپس با سرد شدن تدریجی جهان، الکترون‌های باردار و پروتون‌ها برای تشکیل اتم‌های خنثای هیدروژنی (ازنظر الکتریکی) به یکدیگر می‌پیوندند.

استفاده از پتانسیل پلاسما به درک کیهان کمک می‌کند

این وضعیت تا شکل‌گیری اولین ستاره‌ها و سیاهچاله‌ها ادامه داشت و تشعشعات رادیویی را منتشر می‌کرد در این مرحله جهان مجددا به یون تبدیل شده و به وضعیت پلاسما برمی‌گردد. در نهایت پلاسما به توصیف بعضی از پدیده‌های طیفی در دورترین بخش‌های کیهان کمک می‌کند. در فاصله‌ی دوری از سیاهچاله‌ها، اجرام بزرگ به قدری متراکم هستند که نور هم نمی‌تواند از دست آن‌ها فرار کند. این اجرام عملا به‌صورت مستقیم قابل مشاهده نیستند.

بااین‌حال، سیاهچاله‌ها معمولا با دیسک چرخانی از ماده‌ی پلاسما احاطه شده‌اند که در جاذبه‌ی گرانشی سیاهچاله به دور آن‌ها می‌چرخد و فوتون‌های پرانرژی را آزاد می‌کند که در طیف اشعه‌ی ایکس قابل مشاهده و ردیابی هستند، این فوتون‌ها حقایقی را درمورد این فضای بی‌کران  بیان می‌کنند.

پلاسما به نظر مرموز می‌رسد اما استفاده از پتانسیل آن‌ می‌تواند به درک کیهان کمک کند؛ و همچنین با دستیابی به گداخت هسته‌ای کنترل‌شده، پلاسما را می‌توان حالتی از ماده دانست که حتی ادامه‌ی زندگی بدون آن غیرممکن باشد.

منبع: پلاسما، حالت چهارم ماده: شگفت‌انگیز و سرشار از پتانسیل