В классической физике принято выделять три агрегатных состояния вещества, хорошо знакомые каждому еще с начальной школы: твердое, жидкое и газообразное. Однако в астрофизике и физике высоких температур этого набора недостаточно.
При очень высоких температурах или под действием интенсивного излучения газ ионизируется: его атомы теряют часть электронов, и вещество превращается в плазму — ионизированный газ, содержащий свободные электроны и ионы.
Именно наличие большого числа заряженных частиц делает плазму особой формой материи. В отличие от обычного газа, она активно взаимодействует с электрическими и магнитными полями, а ее свойства зависят не только от температуры и плотности, но и от того, как заряженные частицы воздействуют друг на друга через эти поля. Благодаря этому плазма может образовывать потоки, волны, нити и другие замысловатые структуры, поскольку ее поведение определяется не только законами газовой динамики, но и действием электромагнитных полей.
На Земле плазма естественного происхождения встречается довольно редко. Преимущественно она сосредоточена в ионосфере — верхней области атмосферы, простирающейся примерно от 60 до 1 000 километров над поверхностью планеты.
Здесь под действием солнечного излучения атомы и молекулы теряют электроны, образуя разреженную плазменную оболочку. Помимо этого, земная плазма возникает при разрядах молний, полярных сияниях и некоторых других высокоэнергетических атмосферных явлениях.
Однако в масштабах Вселенной именно плазма, а не твердые тела, жидкости или обычные газы, является наиболее распространенной формой обычной материи. По современным оценкам, в плазменном состоянии находится от 99% до 99,999% видимой материи во Вселенной. Из нее состоят Солнце и другие звезды, горячие туманности, звездные короны, солнечный ветер и значительная часть межзвездной и межгалактической среды.
Особенно важна роль плазмы в звездах. При экстремально высоких температурах вещество там не может сохраняться в виде обычного газа: атомы теряют электроны, и звездное вещество переходит в ионизированное состояние. Именно в этой плазменной среде протекают термоядерные реакции, благодаря которым звезды светят, а в их недрах синтезируются новые химические элементы. Без плазмы не существовало бы ни самого Солнца в его нынешнем виде, ни звездного нуклеосинтеза, постепенно обогащающего Вселенную элементами тяжелее водорода и гелия.
Плазма лежит и в основе многих процессов, определяющих космическую погоду. Солнечные вспышки, корональные выбросы массы, магнитные бури и потоки заряженных частиц связаны с поведением плазмы и магнитных полей. Поэтому ее изучение важно не только для фундаментальной науки, но и для практики: чем лучше мы понимаем плазменные процессы, тем точнее можем прогнозировать явления, способные влиять на космические аппараты, навигацию, радиосвязь и энергосистемы на Земле.
При этом плазму не только изучают на расстоянии, но и давно используют в земных технологиях — от неоновых ламп и плазменных дисплеев до промышленных резаков, систем обработки материалов и экспериментальных термоядерных установок.
Вот и получается любопытный парадокс: мы живем среди твердых тел, жидкостей и газов, поэтому именно они кажутся нам основой мироздания. Но стоит взглянуть на Вселенную шире, и становится ясно: привычная земная картина — лишь частный и редкий случай. В космических масштабах господствует именно плазма.