Книга Смерть в черной дыре и другие мелкие космические неприятности - Нил Деграсс Тайсон

Самые заметные примеры плазмы на Земле – это огонь, молния, след падающей звезды и статический разряд, который больно ударяет вас, если надеть шерстяные носки, пошаркать по ковру, а потом взяться за металлическую дверную ручку. Электрические разряды – это зигзагообразные потоки электронов, которые стремительно пролетают по воздуху, когда слишком много электронов скапливается в одном месте. Если заглянуть в мировую статистику гроз, молнии ударяют в Землю несколько тысяч раз в час. Воздушный столб толщиной в сантиметр, по которому проходит разряд молнии, за долю секунды превращается в плазму и ярко светится, поскольку поток электронов мгновенно разогревает его до миллионов градусов.

Каждая падучая звезда – это крошечная частичка межпланетного мусора, которая движется так быстро, что сгорает в воздухе и опускается на Землю в виде безобидной космической пыли. Примерно то же самое происходит с космическим кораблем, который возвращается в атмосферу. Поскольку обитатели корабля не видят особого смысла в том, чтобы приземляться на орбитальной скорости в 30 000 километров в час (около 8 километров в секунду), кинетическую энергию надо куда-то девать. При входе в атмосферу она превращается в тепло на передней части космического корабля и быстро выделяется теплозащитной обшивкой. Именно поэтому астронавты, в отличие от падучих звезд, прибывают на Землю не в виде пыли. Во время спуска в течение нескольких минут жар так силен, что каждая молекула рядом с космической капсулой ионизируется, на время окутывая астронавтов плазменным барьером, сквозь который не проходят никакие сигналы связи. Это и есть знаменитый период исчезновения сигнала, когда корабль светится, а в ЦУПе ничего не знают о самочувствии астронавтов. Потом корабль замедляется в атмосфере, температура падает, воздух становится плотнее, и плазма прекращает существование. Электроны возвращаются к своим атомам, а связь быстро налаживается.

* * *

На Земле плазма встречается относительно редко, зато составляет более 99,99 % всего видимого вещества в космосе. Сюда входят все светящиеся звезды и газовые облака. Почти на всех прекрасных фотографиях туманностей в нашей галактике, полученных космическим телескопом им. Хаббла, видны разноцветные газовые облака плазмы. На форму и плотность некоторых из них сильно влияет присутствие магнитных полей, созданных близкими источниками. Плазма способна удерживать магнитное поле в своих границах, она вертит им – и вообще искажает – как может. Сложные отношения плазмы с магнитным полем – основная причина одиннадцатилетнего цикла солнечной активности. У солнечного экватора газ вращается немного быстрее, чем у полюсов. Этот перепад дурно влияет на цвет лица нашего светила. Магнитное поле Солнца заключено внутри его плазмы, поэтому оно искажается и растягивается. Кривое, искореженное магнитное поле пробивается сквозь поверхность Солнца, таща за собой плазму – от этого и возникают солнечные пятна, вспышки, протуберанцы и прочие прыщи и раздражения.

Именно эта взаимосвязь и приводит к тому, что Солнце вышвыривает в пространство до миллиона тонн заряженных частиц в секунду – в том числе электроны, протоны и голые ядра гелия. Этот поток частиц, когда легкое дуновение, а когда и настоящий ураган, принято называть солнечным ветром. Солнечный ветер – возможно, самый знаменитый вид плазмы – приводит к тому, что хвосты комет направлены от Солнца независимо от направления движения кометы. Именно солнечный ветер и вызывает северные (и южные) сияния, когда сталкивается с молекулами земной атмосферы поблизости от магнитных полюсов, причем так бывает не только на Земле, но и на всех остальных планетах, где есть атмосфера и сильные магнитные поля. В зависимости от температуры плазмы и от ее атомного и молекулярного состава, некоторые свободные электроны занимают места в электронных оболочках атомов, где имеются вакансии, и как по лестнице скатываются вниз по множеству энергетических уровней в этих оболочках. По пути электроны испускают свет со строго определенными длинами волн. Своей чудесной цветовой гаммой северные сияния – как, впрочем, и неоновые трубки, флуоресцентные лампы, а также декоративные плазменные лампы, которые продают в третьеразрядных магазинах подарков, – обязаны именно буйным шалостям электронов.

Благодаря современным спутникам-обсерваториям у нас появилась беспрецедентная возможность следить за солнечной активностью и солнечным ветром с такой же легкостью, как мы следим за ежедневной сводкой земной погоды. Мое первое телевизионное интервью для вечернего выпуска новостей было связано именно с тем, что Солнце запустило прямо в Землю плазменной плюшкой. Все – по крайней мере, журналисты – страшно перепугались, что когда она угодит в Землю, цивилизации конец. Я уговаривал зрителей не волноваться, ведь нас надежно защищает магнитное поле, и предложил воспользоваться случаем, съездить куда-нибудь на север и полюбоваться северным сиянием, которое вызовет солнечный ветер.

* * *

Разреженная солнечная корона, тот самый сияющий ореол, который видно во время полного солнечного затмения вокруг силуэта Луны, – это плазма с температурой в пять миллионов градусов, составляющая внешнюю часть атмосферы Солнца. При таких высоких температурах корона является главным источником рентгеновского излучения, наблюдаемого от Солнца, однако в других условиях она не видна невооруженному глазу. В диапазоне видимого света солнечная поверхность – фотосфера – такая яркая, что ее сияние полностью затмевает корону.

В атмосфере Земли есть целый слой, где солнечный ветер выбивает электроны из атомов, отчего создается покров плазмы, который мы называем ионосферой. Этот слой отражает определенные частоты радиоволн, в том числе и длинноволновый (АМ) диапазон вашего радиоприемника. Именно это свойство ионосферы позволяет АМ-сигналам проходить сотни километров, а «коротковолновое» радио уходит на тысячи километров далеко за горизонт. Сигналы в диапазоне FM и телевещательные сигналы, обладающие гораздо более высокой частотой, проходят атмосферу насквозь и уносятся в космос со скоростью света. Любая инопланетная цивилизация, стоит ей на нас настроиться, запросто узнает все про наши телешоу (что, наверное, не так уж хорошо), услышит все наши музыкальные FM-радиостанции (что, наверное, не так уж плохо) и ничего не узнает о политических дебатах на АМ-радиостанциях (а это, наверное, только к лучшему).

Большинство видов плазмы плохо влияют на органические вещества. Во всем сериале «Звездный путь» самая опасная работа у того персонажа, который исследует сияющие плазменные шары на неведомых планетах, куда попадают герои. (Помнится, что этот персонаж всегда был в красной рубашке.) Каждый раз, столкнувшись с плазменным шаром, герой испаряется. Казалось бы, если ты родился в XXV веке, пора бы научиться относиться к плазме с уважением, или уж тогда не наряжайся в красное. Мы, жители XXI века, еще нигде толком не побывали, а уже очень уважаем плазму.

* * *

В термоядерных реакторах, где за плазмой наблюдают с безопасного расстояния, мы пытаемся на высокой скорости столкнуть ядра водорода и превратить их в более тяжелые ядра гелия. При этом мы высвобождаем энергию, которой могло бы хватить на удовлетворение потребности общества в электричестве. Беда в том, что мы еще не преуспели в том, чтобы получать больше энергии, чем вкладываем. Чтобы добиться столкновения на столь высоких скоростях, сгусток атомов водорода нужно разогреть до десятков миллионов градусов. В такой обстановке нечего и надеяться, что электроны останутся в атомах. При таких температурах все электроны вырываются из своих атомов водорода и отправляются в свободное плавание. Как же удержать сияющий шар водородной плазмы при температуре в миллионы градусов? В какой емкости хранить? Пластиковый контейнер для микроволновки тут не подойдет, даже дорогой и фирменный. Нужна такая бутылка, которая не расплавится, не распадется, не испарится. Мы уже упоминали о том, что можно воспользоваться в своих интересах отношениями между плазмой и магнитным полем и создать своего рода «бутылку», стенки которой состоят из мощных магнитных полей, за которые плазма не в состоянии просочиться. Экономическая выгода от хорошего термоядерного реактора отчасти зависит от устройства его магнитной бутылки и от того, насколько правильно мы понимаем, как взаимодействует с ней плазма.