10. Четвёртое состояние

Утром 1 сентября 1859 года Ричард Кэррингтон, тридцатитрёхлетний астроном-любитель, сидел в своей обсерватории в Редхилле под Лондоном и зарисовывал солнечные пятна. Он отбрасывал изображение Солнца на белый экран и обводил пятна карандашом. В одиннадцать восемнадцать среди пятен вспыхнули две ослепительно белые точки. Кэррингтон побежал звать свидетеля, а когда вернулся, почти ничего не застал: за пять минут точки сместились и погасли. В Лондоне то же самое независимо видел Ричард Ходжсон, а приборы обсерватории Кью, записывавшие магнитное поле Земли, в ту же минуту отметили небольшой скачок.

Меньше чем через сутки небо загорелось. Сияния видели на Кубе, Ямайке, Гавайях и в Колумбии, а в Штатах люди вставали на работу среди ночи, решив, что рассвело. Утром 2 сентября телеграф в Бостоне почти не работал: по проводам шёл ток, которого никто не включал. Операторы линии Бостон — Портленд отключили батареи и около двух часов передавали депеши на одном этом токе. Небо стало батарейкой. Сам Кэррингтон осторожно не стал утверждать, что вспышка вызвала бурю. Цепочку между ними поняли только в двадцатом веке, и почти каждое её звено — свойство вещества, которого нет ни в стакане воды, ни в камне.

Состоит это вещество из атомов, у которых жар, свет или удар оторвали электроны. Выходит смесь свободных электронов и ионов, то есть атомов, оставшихся без части электронов и потому заряженных положительно. В целом смесь нейтральна, но каждая частица в ней заряжена, а электромагнитная сила, как мы видели, дальнобойна. Поэтому заряд здесь чувствует не одного соседа, а сразу всю толпу. Неоновая вывеска, молния, северное сияние и Солнце — одно и то же состояние вещества. Это плазма.

Первое, что делает толпа, — прячет каждого. Возле положительного иона электронов чуть гуще, возле электрона чуть гуще ионов, и каждый заряд окутывается облачком противоположных. Издали его поле уже почти не чувствуется. В ядре Солнца заряд прячется на расстоянии меньше атома. В солнечном ветре, разреженном потоке плазмы, который Солнце всё время выдувает во все стороны, возле Земли тот же заряд скрывается лишь на высоте трёхэтажного дома, и внутри такой зоны невидимости частиц больше, чем людей на Земле. Именно эта толпа, а не жар, отличает плазму от газа с редкими ионами. Пламя свечи горячее любой духовки, но заряженных частиц в нём мало, и плазмой его обычно не считают.

Второе — электроны начинают двигаться заодно. Сдвинь их чуть в сторону, ионы потянут их назад, электроны проскочат по инерции и закачаются разом, как желе от толчка, со своей собственной частотой. Радиоволну, которая колеблется реже, плазма отражает, а ту, что чаще, пропускает. Над нами, выше самолётов, висит слой такой плазмы, ионосфера: электроны в нём отрывает не жар, а ультрафиолет Солнца, и космическая станция летает прямо внутри него. Короткие волны отскакивают от ионосферы и обходят Землю, а сигнал FM-станции и спутника уходит сквозь неё. От той же электронной толпы блестит металл.

Третье свойство и дало телеграфистам их батарейку. Плазма так хорошо проводит ток, что магнитное поле не может проскользнуть сквозь неё: любая такая попытка рождает токи, которые тянут поле обратно. Поле и вещество движутся вместе, как нитки, вмёрзшие в тесто. Швед Ханнес Альвен описал это в короткой заметке 1942 года и показал, что вдоль натянутых линий поля бегут волны, как по струне; теперь их называют его именем. Течения внутри Солнца месят тесто и накручивают нитки. Там, где пучки поля выходят наружу, они мешают горячей плазме подниматься снизу, место остывает, и мы видим тёмное пятно.

Когда закрученные линии противоположного направления сходятся, они рвутся и соединяются по-новому, как перекрученная резинка, которая лопается и хлещет, только размером с несколько Земель. Физики называют это перезамыканием. Энергия поля за минуты уходит в свет, жар и пучки частиц: это и есть вспышка. В 1859 году Солнце вдобавок выбросило облако плазмы, и оно унесло с собой вмороженное поле. Облако прошло за неполные сутки путь, на который обычно уходит несколько дней, ударило в магнитное поле Земли и раскачало его, а меняющееся поле погнало ток по длинным проводам телеграфа.

Ни укрытия из соседей, ни общей частоты, ни вмороженного поля у отдельного иона нет. Всё это появляется только у газа, ставшего одним проводящим телом. И тело это не экзотика. Больше девяноста девяти процентов обычного вещества Вселенной — плазма: звёзды, солнечный ветер, горячий газ между звёздами и между галактиками. Тёмная материя в этот счёт не входит, а сама доля — оценка, а не измерение. Твёрдое, жидкое и газообразное, три привычных нам состояния, вместе дают меньше процента. Первые сотни тысяч лет плазмой была вся Вселенная, потом она остыла и электроны сели на ядра, а позже свет первых звёзд снова ободрал атомы в пространстве между галактиками.

Сначала четвёртое состояние жило в стеклянной трубке. Уильям Крукс в 1879 году так назвал светящийся газ электрического разряда, а почти полвека спустя Ирвинг Ленгмюр, изучавший разряд в электрических лампах, дал ему имя «плазма». Почему именно это слово, он так и не объяснил.

Удержать плазму оказалось труднее, чем назвать. Весной 1969 года, в разгар холодной войны, пятеро физиков из британской лаборатории Калэм привезли в московский Институт Курчатова около пяти тонн лазерной аппаратуры, целый грузовик. Им предстояло измерить жар плазмы в токамаке Т-3, советском бублике, где магнитное поле держит плазму подальше от стенок. Лазер подтвердил то, что заявлял Лев Арцимович: электроны там раскалены до десяти миллионов градусов. После статьи британцев термоядерные лаборатории мира одна за другой взялись строить токамаки.

С солнечной короной, сияющим венцом, который виден вокруг Солнца при полном затмении, физика плазмы не справилась до сих пор. Семьдесят лет астрономы видели в свете короны зелёную линию, которой нет ни у одного известного элемента, и приписывали её новому элементу, коронию. В начале сороковых другой швед, спектроскопист Бенгт Эдлен, показал, что это железо, потерявшее половину своих электронов. Столько электронов сорвёт только газ в миллионы градусов, в сотни раз горячее поверхности Солнца под ним: как если бы воздух над раскалённой сковородой был жарче самой сковороды. Кто греет корону, волны Альвена или россыпь мелких перезамыканий, спорят и сейчас.

Из плазмы растут три ветви. Звезда — плазменный шар, который тяжесть сжимает, а жар распирает изнутри. Диск — плазма и газ, кружащие вокруг молодой звезды или чёрной дыры, и у вмороженного поля там найдётся работа поважнее вспышек. Скопление галактик — огромный запас плазмы, который весит больше всех звёзд скопления вместе. Между этими горячими телами попадаются редкие холодные места, где электроны вернулись на атомы, а газ остыл и погас. Там у тяжести наконец появляется шанс.