← all shorts

Chemistry

The Fourth State of Matter You Never Learned

#077 · 5 min read

An open book reveals a cosmic scene with vibrant stars, nebulae, and a bright central star, symbolizing the mysterious fourth state of matter, plasma.

School taught you three states of matter. The universe runs on a fourth one — hotter, louder, and so abundant that the solids and liquids of everyday life are statistical accidents. Its name is plasma, and you have been staring at it your whole life.

On a clear night in 1879, the English chemist William Crookes sealed a glass tube, pumped most of the air out, and ran a high voltage across two electrodes inside. The remaining gas began to glow. Crookes wrote that he had produced "radiant matter" — a substance, he argued, as distinct from gas as gas is from liquid. The Royal Society found the claim eccentric. He was, by half a century, correct.

What Crookes had made was a low-density plasma: a gas in which enough atoms have been stripped of their electrons that the result is a soup of free negative and positive charges. The word itself came later. In 1928 the American chemist Irving Langmuir, working on gas-filled vacuum tubes at General Electric, noticed that the ionised regions inside his bulbs moved and carried other particles in much the way blood plasma carries cells. He borrowed the medical term. It stuck.

Plasma fountain Wikimedia Commons · Public domain

What it actually is

A plasma is what you get when you keep heating a gas past the point at which its molecules can hold onto their outermost electrons. Hydrogen ionises at around 13.6 electronvolts per atom; in temperature units that is roughly 158,000 kelvin, though in practice partial ionisation begins much earlier when the gas is thin enough. Once the electrons come loose, the bulk material stops behaving like a neutral fluid. It conducts electricity. It responds to magnetic fields. Drag a magnet across a candle flame and very little happens; drag one across the surface of the Sun and you get a solar prominence the size of Jupiter.

Free plasma physics image
Free plasma physics image Unknown · CC0 1.0

The other defining trick is collective behaviour. In an ordinary gas, molecules ignore each other until they collide. In a plasma the long range of the Coulomb force means every charged particle feels every other one at once, and the medium organises itself into waves, sheaths, and filaments. A plasma will screen out an applied electric field over a characteristic length — the Debye length — and oscillate at a characteristic frequency. These are not gas properties. They are why physicists insist on the separate name.

A gas discharge tube in a dark laboratory as heat and voltage strip electrons from atoms
A gas discharge tube in a dark laboratory as heat and voltage strip electrons from atoms Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Why it dominates the universe

Step outside the thin biosphere of Earth and the picture inverts. The Sun is plasma all the way through, from the 15-million-kelvin fusing core to the million-degree corona. Every other star is plasma. The interstellar medium is a tenuous plasma. The vast filaments of hot gas that thread galaxy clusters — the so-called warm-hot intergalactic medium — are plasma. By mass, roughly 99 percent of the ordinary, non-dark matter visible through a telescope is in this state. Solids, liquids, and neutral gases are what happens in the cold pockets near rocky planets.

Free plasma physics image
Free plasma physics image Unknown · CC0 1.0

The everyday examples are smaller and stranger. Lightning is plasma: a channel of air briefly heated to about 30,000 kelvin, five times the surface temperature of the Sun. The glow of a fluorescent tube is plasma — mercury vapour ionised by a current, emitting ultraviolet that the white phosphor coating converts to visible light. Neon signs, sodium street lamps, the welding arc, the blue jet of a plasma cutter, the faint shimmer of an aurora at sixty degrees latitude: all the same fourth state, at different densities and temperatures. Even a candle flame is weakly ionised in its hottest regions, which is why a strong electric field can bend it.

The bottle problem

If plasma is the natural state of hot matter, the obvious question is whether we can put it to work. The answer, for seventy years, has been: almost. Fusion — the reaction that powers stars — requires hydrogen plasma at temperatures above 100 million kelvin, hotter than the core of the Sun, because terrestrial reactors cannot match the Sun's crushing gravitational confinement and have to make up the deficit with heat. No solid container can hold such a plasma; the walls would vaporise and the plasma would cool. So you confine it with magnetic fields instead, shaping the charged particles into a doughnut that, in principle, never touches anything.

A city street in rain with lightning reflected in wet pavement
A city street in rain with lightning reflected in wet pavement Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

The Soviet physicists Igor Tamm and Andrei Sakharov sketched the first such device, the tokamak, in 1950. Seventy-five years later the descendants of that sketch include ITER, a thirty-five-nation project under construction in Provence, and a clutch of private ventures aiming for net energy gain before 2035. In December 2022 the National Ignition Facility in California, using lasers rather than magnets, produced a fusion reaction that released more energy than the laser pulse delivered to the fuel pellet — the first time on Earth. The shot lasted a few billionths of a second.

Plasma physics
Plasma physics Unknown · CC0 1.0

What we still don't know

We do not know whether magnetic confinement fusion will ever be economical. The physics works; the engineering — neutron-resistant walls, tritium breeding, plasma stability over hours rather than seconds — is unresolved.

A solar observatory image made physical through a brass telescope aimed at projected sunli
A solar observatory image made physical through a brass telescope aimed at projected sunli Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

We do not fully understand how the Sun's corona reaches a million kelvin while the surface beneath it sits at 5,800. Wave heating and magnetic reconnection are the leading candidates, but the Parker Solar Probe, which has now flown through the corona several times, is still sending back data that does not quite settle the question.

Plasma (physics)
Plasma (physics) U.S. Air Force photo by Edward Aspera Jr. · Public domain

And we do not know what fraction of the missing ordinary matter in the universe is locked up in the warm-hot intergalactic plasma between galaxies. The current best estimates close most of the gap, but the measurements sit at the edge of what X-ray telescopes can resolve.

The textbook order — solid, liquid, gas — is a parochialism of cold planets. Look up on a clear night and almost every point of light is the rule, not the exception.

学校教过你物质的三种形态。宇宙却运行在第四种之上——更炽热,更喧嚣,多到足以让日常生活中的固体与液体显得像是概率的偶然。它的名字叫等离子体,而你凝视它已有一生之久。

1879年的一个晴夜,英国化学家William Crookes将一根玻璃管封口,抽去大部分空气,再将高压电接入管内两端的电极。残余气体开始发光。克鲁克斯写道,他制造出了"辐射物质"——他认为,这种物质与气体的区别,不亚于气体与液体之别。皇家学会觉得此说离经叛道。而他,不过早了半个世纪。

克鲁克斯制造的,是低密度等离子体:一种气体,其中足够多的原子已被剥去电子,剩下的是自由负电荷与正电荷共存的汤液。这个名称本身是后来才有的。1928年,美国化学家Irving Langmuir在通用电气公司研究充气真空管时,注意到灯泡内电离区域的运动方式,以及它携带其他粒子的方式,颇似血浆携带血细胞。他借用了这个医学术语,沿用至今。

Plasma fountain Wikimedia Commons · Public domain

等离子体究竟是什么

等离子体,是将气体持续加热、使其分子再也无法束缚最外层电子时所得到的东西。氢在每个原子约13.6电子伏特处发生电离;换算成温度,大约是158,000开尔文,尽管在气体足够稀薄的情况下,部分电离实际上会更早开始。一旦电子挣脱束缚,整体物质便不再表现为中性流体。它导电。它响应磁场。把磁铁划过烛焰,几乎无事发生;把磁铁划过太阳表面,便会掀起一个木星大小的日珥。

Free plasma physics image
Free plasma physics image Unknown · CC0 1.0

另一个决定性特征是集体行为。在普通气体中,分子彼此无视,直到碰撞方才相互作用。而在等离子体中,Coulomb force的长程作用意味着每个带电粒子同时感受着其他所有粒子,整个介质自发组织成波、鞘层与丝状结构。等离子体会在一个特征长度——Debye length——内屏蔽外加电场,并以特征频率振荡。这些都不是气体的性质,也正因如此,物理学家坚持为它另立名目。

A gas discharge tube in a dark laboratory as heat and voltage strip electrons from atoms
A gas discharge tube in a dark laboratory as heat and voltage strip electrons from atoms Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

为何它主宰宇宙

走出地球薄薄的生物圈,图景便完全倒转。太阳从内到外全是等离子体,从1500万开尔文的聚变核心,到百万度的日冕,无不如此。每一颗恒星都是等离子体。星际介质是稀薄的等离子体。穿织于星系团之间的炽热气体巨丝——所谓warm-hot intergalactic medium——也是等离子体。按质量计算,望远镜所能看见的普通非暗物质,大约99%处于这种状态。固体、液体和中性气体,不过是岩石行星附近寒冷角落里发生的事。

Free plasma physics image
Free plasma physics image Unknown · CC0 1.0

日常生活中的例子则更小也更奇异。闪电是等离子体:一道空气通道,瞬间被加热至约30,000开尔文,是太阳表面温度的五倍。荧光灯管的光芒是等离子体——汞蒸气被电流电离,发出紫外线,再由白色荧光粉涂层转化为可见光。霓虹灯、钠光路灯、焊接电弧、等离子切割机喷出的蓝色火焰、北纬六十度天空中极光淡淡的闪烁:都是同一种第四态,只是密度与温度各异。即便是烛焰,在最热的区域也是弱电离的——这正是强电场能够弯曲烛焰的原因。

瓶中问题

既然等离子体是热物质的自然状态,显而易见的问题是:我们能否让它为我所用?七十年来,答案始终是:几乎可以。核聚变——恒星赖以燃烧的反应——需要温度超过1亿开尔文的氢等离子体,比太阳核心还要炽热,因为地球上的反应堆无法复制太阳那巨大的引力约束,只能以高温来弥补差距。没有任何固体容器能盛住这样的等离子体;器壁会气化,等离子体会冷却。于是只能用磁场来约束它,将带电粒子塑成一个甜甜圈形,理论上永远不与任何固体接触。

A city street in rain with lightning reflected in wet pavement
A city street in rain with lightning reflected in wet pavement Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

苏联物理学家Igor TammAndrei Sakharov于1950年勾勒出了第一台此类装置——tokamak的草图。七十五年后,这张草图的后代涵盖了正在普罗旺斯建造中的三十五国联合项目ITER,以及一批志在2035年前实现净能量增益的私营企业。2022年12月,加利福尼亚州的National Ignition Facility以激光而非磁场为手段,产生了一次聚变反应,所释放的能量超过了激光脉冲输送给燃料靶丸的能量——这是地球上的第一次。这次点火,持续了几十亿分之一秒。

Plasma physics
Plasma physics Unknown · CC0 1.0

我们仍不知道的事

我们不知道磁约束聚变是否终将具备经济可行性。物理学上是可行的;工程上——耐中子的器壁、氚的增殖、等离子体在数小时而非数秒内的稳定性——尚无定论。

A solar observatory image made physical through a brass telescope aimed at projected sunli
A solar observatory image made physical through a brass telescope aimed at projected sunli Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

我们还未完全理解,为何太阳日冕能达到百万开尔文,而其下方的表面仅有5,800度。波加热与磁重联是最主要的候选解释,但Parker Solar Probe已多次穿越日冕,仍在源源不断地发回数据,问题依然悬而未决。

Plasma (physics)
Plasma (physics) U.S. Air Force photo by Edward Aspera Jr. · Public domain

我们也不知道,宇宙中那些失踪的普通物质,有多大比例藏匿于星系间的温热星系际等离子体之中。目前最好的估算已填补了大部分缺口,但测量结果仍处于X射线望远镜分辨率的极限边缘。

教科书上那个顺序——固体、液体、气体——是寒冷行星的地方性偏见。在晴夜仰望,几乎每一个光点都是常态,而非例外。

El colegio te enseñó tres estados de la materia. El universo funciona con un cuarto — más caliente, más violento, y tan abundante que los sólidos y líquidos de la vida cotidiana no son más que accidentes estadísticos. Se llama plasma, y llevas toda la vida mirándolo fijamente.

En una noche despejada de 1879, el químico inglés William Crookes selló un tubo de vidrio, extrajo casi todo el aire de su interior y aplicó una alta tensión a dos electrodos instalados dentro. El gas restante comenzó a brillar. Crookes escribió que había producido «materia radiante» —una sustancia, argumentó, tan distinta del gas como el gas lo es del líquido. La Royal Society consideró la afirmación excéntrica. Él tenía razón, con medio siglo de adelanto.

Lo que Crookes había creado era un plasma de baja densidad: un gas en el que suficientes átomos han sido despojados de sus electrones, dejando como resultado una sopa de cargas negativas y positivas libres. La palabra en sí llegó más tarde. En 1928, el químico estadounidense Irving Langmuir, trabajando en tubos de vacío rellenos de gas en General Electric, advirtió que las regiones ionizadas de sus bombillas se desplazaban y transportaban otras partículas de un modo muy similar a como el plasma sanguíneo transporta células. Tomó prestado el término médico. Y arraigó.

Plasma fountain Wikimedia Commons · Public domain

Qué es en realidad

Un plasma es lo que se obtiene cuando se sigue calentando un gas más allá del punto en que sus moléculas son capaces de retener sus electrones más externos. El hidrógeno se ioniza a unos 13,6 electronvoltios por átomo; en unidades de temperatura eso equivale a aproximadamente 158.000 kelvin, aunque en la práctica la ionización parcial comienza mucho antes cuando el gas es suficientemente tenue. Una vez que los electrones se liberan, el material deja de comportarse como un fluido neutro. Conduce la electricidad. Responde a los campos magnéticos. Pasa un imán por la llama de una vela y apenas ocurre nada; hazlo por la superficie del Sol y obtienes una prominencia solar del tamaño de Júpiter.

Free plasma physics image
Free plasma physics image Unknown · CC0 1.0

El otro rasgo definitorio es el comportamiento colectivo. En un gas ordinario, las moléculas se ignoran mutuamente hasta que colisionan. En un plasma, el largo alcance de la Coulomb force hace que cada partícula cargada sienta a todas las demás simultáneamente, y el medio se organiza en ondas, vainas y filamentos. Un plasma apantalla un campo eléctrico aplicado a lo largo de una longitud característica —la Debye length— y oscila a una frecuencia característica. Estas no son propiedades del gas. Por eso los físicos insisten en el nombre aparte.

A gas discharge tube in a dark laboratory as heat and voltage strip electrons from atoms
A gas discharge tube in a dark laboratory as heat and voltage strip electrons from atoms Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Por qué domina el universo

Sal de la delgada biosfera de la Tierra y el panorama se invierte. El Sol es plasma de parte a parte, desde el núcleo de fusión a quince millones de kelvin hasta la corona a un millón de grados. Todas las demás estrellas son plasma. El medio interestelar es un plasma tenue. Los vastos filamentos de gas caliente que atraviesan los cúmulos de galaxias —el llamado warm-hot intergalactic medium— son plasma. En masa, aproximadamente el 99 por ciento de la materia ordinaria no oscura visible a través de un telescopio se encuentra en este estado. Los sólidos, los líquidos y los gases neutros son lo que ocurre en los rincones fríos cercanos a los planetas rocosos.

Free plasma physics image
Free plasma physics image Unknown · CC0 1.0

Los ejemplos cotidianos son más pequeños y más extraños. El rayo es plasma: un canal de aire brevemente calentado a unos 30.000 kelvin, cinco veces la temperatura superficial del Sol. El resplandor de un tubo fluorescente es plasma: vapor de mercurio ionizado por una corriente que emite ultravioleta, el cual el recubrimiento de fósforo blanco convierte en luz visible. Los letreros de neón, las farolas de sodio, el arco de soldadura, el chorro azul de una cortadora de plasma, el tenue fulgor de una aurora a sesenta grados de latitud: todos son el mismo cuarto estado, a distintas densidades y temperaturas. Incluso la llama de una vela está débilmente ionizada en sus regiones más calientes, razón por la cual un campo eléctrico intenso puede doblarla.

El problema de la botella

Si el plasma es el estado natural de la materia caliente, la pregunta obvia es si podemos ponerlo a trabajar. La respuesta, durante setenta años, ha sido: casi. La fusión —la reacción que alimenta a las estrellas— requiere un plasma de hidrógeno a temperaturas superiores a los 100 millones de kelvin, más caliente que el núcleo del Sol, porque los reactores terrestres no pueden igualar el confinamiento gravitacional aplastante del Sol y tienen que compensar el déficit con calor. Ningún recipiente sólido puede contener semejante plasma; las paredes se vaporizarían y el plasma se enfriaría. Así que se lo confina con campos magnéticos, moldeando las partículas cargadas en una rosca que, en principio, nunca toca nada.

A city street in rain with lightning reflected in wet pavement
A city street in rain with lightning reflected in wet pavement Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Los físicos soviéticos Igor Tamm y Andrei Sakharov esbozaron el primer dispositivo de este tipo, el tokamak, en 1950. Setenta y cinco años después, los descendientes de aquel esbozo incluyen ITER, un proyecto de treinta y cinco naciones en construcción en la Provenza, y un puñado de iniciativas privadas que aspiran a obtener ganancia neta de energía antes de 2035. En diciembre de 2022, la National Ignition Facility de California, usando láseres en lugar de imanes, produjo una reacción de fusión que liberó más energía de la que el pulso láser entregó al grano de combustible: la primera vez en la Tierra. El disparo duró unos pocos milmillonésimos de segundo.

Plasma physics
Plasma physics Unknown · CC0 1.0

Lo que aún no sabemos

No sabemos si la fusión por confinamiento magnético llegará a ser económicamente viable algún día. La física funciona; la ingeniería —paredes resistentes a los neutrones, reproducción de tritio, estabilidad del plasma durante horas en lugar de segundos— sigue sin resolverse.

A solar observatory image made physical through a brass telescope aimed at projected sunli
A solar observatory image made physical through a brass telescope aimed at projected sunli Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

No comprendemos del todo cómo la corona del Sol alcanza un millón de kelvin mientras la superficie debajo de ella se sitúa en 5.800. El calentamiento por ondas y la reconexión magnética son los candidatos más firmes, pero la Parker Solar Probe, que ya ha atravesado la corona en varias ocasiones, sigue enviando datos que no acaban de resolver la cuestión.

Plasma (physics)
Plasma (physics) U.S. Air Force photo by Edward Aspera Jr. · Public domain

Y no sabemos qué fracción de la materia ordinaria faltante en el universo está atrapada en el plasma intergaláctico cálido-caliente entre las galaxias. Las mejores estimaciones actuales cierran la mayor parte de la brecha, pero las mediciones se sitúan en el límite de lo que los telescopios de rayos X pueden resolver.

El orden del libro de texto —sólido, líquido, gas— es un provincialismo de planetas fríos. Mira al cielo en una noche despejada y casi cada punto de luz es la regla, no la excepción.

Você aprendeu na escola que a matéria existe em três estados. O universo opera num quarto — mais quente, mais intenso, e tão abundante que os sólidos e líquidos da vida cotidiana são acidentes estatísticos. Chama-se plasma, e você o contempla há toda a sua vida.

Numa noite clara de 1879, o químico inglês William Crookes selou um tubo de vidro, bombeou a maior parte do ar para fora e aplicou uma alta tensão entre dois eletrodos no interior. O gás remanescente começou a brilhar. Crookes escreveu que havia produzido "matéria radiante" — uma substância, argumentou ele, tão distinta do gás quanto o gás é do líquido. A Royal Society achou a afirmação excêntrica. Ele estava, por meio século, correto.

O que Crookes havia criado era um plasma de baixa densidade: um gás no qual átomos suficientes foram despojados de seus elétrons a ponto de o resultado ser uma sopa de cargas negativas e positivas livres. A própria palavra viria depois. Em 1928, o químico americano Irving Langmuir, trabalhando com tubos de vácuo preenchidos com gás na General Electric, percebeu que as regiões ionizadas dentro de suas lâmpadas se moviam e transportavam outras partículas de modo muito semelhante ao modo como o plasma sanguíneo transporta células. Ele tomou emprestado o termo médico. E ficou assim.

Plasma fountain Wikimedia Commons · Public domain

O que é, de fato

Um plasma é o que se obtém quando se aquece um gás além do ponto em que suas moléculas conseguem reter os elétrons mais externos. O hidrogênio ioniza-se a cerca de 13,6 elétron-volts por átomo; em unidades de temperatura, isso equivale a aproximadamente 158.000 kelvin, embora na prática a ionização parcial comece muito antes, quando o gás é suficientemente rarefeito. Uma vez que os elétrons se desprendem, o material em conjunto deixa de se comportar como um fluido neutro. Ele conduz eletricidade. Responde a campos magnéticos. Arraste um ímã sobre a chama de uma vela e muito pouca coisa acontece; arraste-o sobre a superfície do Sol e você obtém uma proeminência solar do tamanho de Júpiter.

Free plasma physics image
Free plasma physics image Unknown · CC0 1.0

O outro traço definidor é o comportamento coletivo. Num gás comum, as moléculas ignoram umas às outras até colidir. Num plasma, o longo alcance da Coulomb force faz com que cada partícula carregada sinta todas as outras ao mesmo tempo, e o meio se organiza em ondas, bainhas e filamentos. Um plasma vai blindar um campo elétrico aplicado ao longo de um comprimento característico — o Debye length — e oscilar a uma frequência característica. Essas não são propriedades de um gás. São a razão pela qual os físicos insistem no nome à parte.

A gas discharge tube in a dark laboratory as heat and voltage strip electrons from atoms
A gas discharge tube in a dark laboratory as heat and voltage strip electrons from atoms Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Por que domina o universo

Saia da fina biosfera da Terra e o quadro se inverte. O Sol é plasma de ponta a ponta, desde o núcleo de fusão a 15 milhões de kelvin até a coroa a um milhão de graus. Toda outra estrela é plasma. O meio interestelar é um plasma tênue. Os vastos filamentos de gás quente que perpassam os aglomerados de galáxias — o chamado warm-hot intergalactic medium — são plasma. Em massa, cerca de 99 por cento da matéria ordinária, não escura, visível por um telescópio encontra-se nesse estado. Sólidos, líquidos e gases neutros são o que ocorre nos bolsões frios próximos a planetas rochosos.

Free plasma physics image
Free plasma physics image Unknown · CC0 1.0

Os exemplos cotidianos são menores e mais estranhos. O relâmpago é plasma: um canal de ar brevemente aquecido a cerca de 30.000 kelvin, cinco vezes a temperatura da superfície do Sol. O brilho de um tubo fluorescente é plasma — vapor de mercúrio ionizado por uma corrente, emitindo luz ultravioleta que o revestimento branco de fósforo converte em luz visível. Letreiros de néon, lâmpadas de sódio nas ruas, o arco de solda, o jato azul de uma cortadora a plasma, o tênue frêmito de uma aurora a sessenta graus de latitude: tudo o mesmo quarto estado, em densidades e temperaturas diferentes. Até a chama de uma vela é fracamente ionizada em suas regiões mais quentes, razão pela qual um campo elétrico intenso pode curvá-la.

O problema do frasco

Se o plasma é o estado natural da matéria quente, a pergunta óbvia é se podemos colocá-lo para trabalhar. A resposta, ao longo de setenta anos, tem sido: quase. A fusão — a reação que alimenta as estrelas — exige plasma de hidrogênio a temperaturas acima de 100 milhões de kelvin, mais quente que o núcleo do Sol, porque os reatores terrestres não conseguem igualar o confinamento gravitacional esmagador do Sol e precisam compensar o déficit com calor. Nenhum recipiente sólido pode conter tal plasma; as paredes evaporariam e o plasma esfriaria. Então ele é confinado por campos magnéticos, moldando as partículas carregadas numa forma de rosca que, em princípio, jamais toca nada.

A city street in rain with lightning reflected in wet pavement
A city street in rain with lightning reflected in wet pavement Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Os físicos soviéticos Igor Tamm e Andrei Sakharov esboçaram o primeiro desses dispositivos, o tokamak, em 1950. Setenta e cinco anos depois, os descendentes desse esboço incluem o ITER, um projeto de trinta e cinco nações em construção na Provença, e um punhado de iniciativas privadas com a meta de obter ganho energético líquido antes de 2035. Em dezembro de 2022, o National Ignition Facility, na Califórnia, usando lasers em vez de ímãs, produziu uma reação de fusão que liberou mais energia do que o pulso de laser entregue ao pellet de combustível — a primeira vez na Terra. O disparo durou alguns bilionésimos de segundo.

Plasma physics
Plasma physics Unknown · CC0 1.0

O que ainda não sabemos

Não sabemos se a fusão por confinamento magnético será algum dia economicamente viável. A física funciona; a engenharia — paredes resistentes a nêutrons, produção de trítio, estabilidade do plasma por horas e não por segundos — permanece em aberto.

A solar observatory image made physical through a brass telescope aimed at projected sunli
A solar observatory image made physical through a brass telescope aimed at projected sunli Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Não compreendemos plenamente como a coroa do Sol atinge um milhão de kelvin enquanto a superfície abaixo dela repousa em 5.800. O aquecimento por ondas e a reconexão magnética são os principais candidatos, mas a Parker Solar Probe, que já sobrevoou a coroa diversas vezes, continua enviando dados que não resolvem definitivamente a questão.

Plasma (physics)
Plasma (physics) U.S. Air Force photo by Edward Aspera Jr. · Public domain

E não sabemos que fração da matéria ordinária faltante no universo está aprisionada no plasma intergaláctico morno-quente entre as galáxias. As melhores estimativas atuais fecham a maior parte da lacuna, mas as medições situam-se no limite do que os telescópios de raios X conseguem distinguir.

A ordem dos livros didáticos — sólido, líquido, gás — é um provincianismo de planetas frios. Olhe para cima numa noite clara e quase cada ponto de luz é a regra, não a exceção.

Vos professeurs vous ont appris trois états de la matière. L'univers, lui, en tient un quatrième — plus ardent, plus fracassant, et si répandu que les solides et les liquides du quotidien ne sont que des accidents statistiques. Il s'appelle plasma, et vous le regardez en face depuis toujours.

Par une nuit claire de 1879, le chimiste anglais William Crookes scella un tube de verre, en pompa presque tout l'air, puis fit passer une haute tension entre deux électrodes à l'intérieur. Le gaz résiduel se mit à luire. Crookes écrivit qu'il avait produit de la « matière rayonnante » — une substance, soutenait-il, aussi distincte du gaz que le gaz l'est du liquide. La Royal Society jugea l'affirmation excentrique. Il avait raison, avec un demi-siècle d'avance.

Ce que Crookes avait produit était un plasma à faible densité : un gaz dans lequel suffisamment d'atomes ont été dépouillés de leurs électrons pour donner naissance à une soupe de charges négatives et positives libres. Le mot lui-même vint plus tard. En 1928, le chimiste américain Irving Langmuir, qui travaillait sur des tubes à vide remplis de gaz chez General Electric, remarqua que les régions ionisées à l'intérieur de ses ampoules se déplaçaient et entraînaient d'autres particules à peu près comme le plasma sanguin transporte les cellules. Il emprunta le terme médical. Il resta.

Plasma fountain Wikimedia Commons · Public domain

Ce que c'est en réalité

Un plasma est ce que l'on obtient lorsqu'on continue de chauffer un gaz au-delà du seuil auquel ses molécules ne peuvent plus retenir leurs électrons les plus externes. L'hydrogène s'ionise à environ 13,6 électronvolts par atome ; en unités de température, cela correspond à peu près à 158 000 kelvins, bien qu'en pratique l'ionisation partielle commence bien plus tôt lorsque le gaz est suffisamment raréfié. Une fois les électrons libérés, le matériau cesse de se comporter comme un fluide neutre. Il conduit l'électricité. Il répond aux champs magnétiques. Passez un aimant devant une flamme de bougie et il ne se passe presque rien ; passez-en un devant la surface du Soleil et vous obtenez une protubérance solaire de la taille de Jupiter.

Free plasma physics image
Free plasma physics image Unknown · CC0 1.0

L'autre propriété fondamentale est le comportement collectif. Dans un gaz ordinaire, les molécules s'ignorent mutuellement jusqu'à ce qu'elles entrent en collision. Dans un plasma, la longue portée de la Coulomb force fait que chaque particule chargée ressent toutes les autres à la fois, et le milieu s'organise en ondes, en gaines et en filaments. Un plasma écrantera un champ électrique appliqué sur une longueur caractéristique — la Debye length — et oscillera à une fréquence caractéristique. Ce ne sont pas là des propriétés d'un gaz. C'est pourquoi les physiciens insistent sur la dénomination distincte.

A gas discharge tube in a dark laboratory as heat and voltage strip electrons from atoms
A gas discharge tube in a dark laboratory as heat and voltage strip electrons from atoms Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Pourquoi il domine l'univers

Sortez de la mince biosphère de la Terre et le tableau s'inverse. Le Soleil est plasma de part en part, du cœur en fusion à 15 millions de kelvins jusqu'à la couronne à un million de degrés. Chaque autre étoile est plasma. Le milieu interstellaire est un plasma ténu. Les vastes filaments de gaz chaud qui parcourent les amas de galaxies — le warm-hot intergalactic medium — sont du plasma. En masse, environ 99 % de la matière ordinaire, non sombre, visible par un télescope se trouve dans cet état. Les solides, les liquides et les gaz neutres sont ce qui se produit dans les poches froides au voisinage des planètes rocheuses.

Free plasma physics image
Free plasma physics image Unknown · CC0 1.0

Les exemples de la vie courante sont plus modestes et plus étranges. La foudre est un plasma : un canal d'air brièvement chauffé à environ 30 000 kelvins, soit cinq fois la température de surface du Soleil. La lumière d'un tube fluorescent est un plasma — de la vapeur de mercure ionisée par un courant, qui émet des ultraviolets que le revêtement de phosphore blanc convertit en lumière visible. Les enseignes au néon, les lampes à vapeur de sodium, l'arc de soudure, le jet bleu d'un chalumeau plasma, le frémissement diffus d'une aurore boréale à soixante degrés de latitude : le même quatrième état de la matière, à des densités et des températures différentes. Même une flamme de bougie est faiblement ionisée dans ses régions les plus chaudes, ce qui explique qu'un champ électrique puissant puisse la dévier.

Le problème du confinement

Si le plasma est l'état naturel de la matière chaude, la question qui s'impose est de savoir si l'on peut le mettre à profit. La réponse, depuis soixante-dix ans, est : presque. La fusion — la réaction qui alimente les étoiles — exige un plasma d'hydrogène à des températures supérieures à 100 millions de kelvins, plus chaud que le cœur du Soleil, car les réacteurs terrestres ne peuvent égaler le confinement gravitationnel écrasant du Soleil et doivent compenser ce déficit par la chaleur. Aucun récipient solide ne peut contenir un tel plasma ; les parois se vaporiseraient et le plasma se refroidirait. On le confine donc avec des champs magnétiques, en guidant les particules chargées pour former un tore qui, en principe, ne touche jamais rien.

A city street in rain with lightning reflected in wet pavement
A city street in rain with lightning reflected in wet pavement Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Les physiciens soviétiques Igor Tamm et Andrei Sakharov esquissèrent le premier dispositif de ce type, le tokamak, en 1950. Soixante-quinze ans plus tard, les descendants de cette ébauche comprennent ITER, un projet rassemblant trente-cinq nations et en cours de construction en Provence, ainsi qu'une poignée d'initiatives privées visant un bilan énergétique positif avant 2035. En décembre 2022, le National Ignition Facility, en Californie, recourant à des lasers plutôt qu'à des aimants, a produit une réaction de fusion qui a libéré plus d'énergie que l'impulsion laser délivrée à la pastille de combustible — une première sur Terre. Le tir a duré quelques milliardièmes de seconde.

Plasma physics
Plasma physics Unknown · CC0 1.0

Ce que nous ignorons encore

Nous ne savons pas si la fusion par confinement magnétique sera jamais rentable. La physique fonctionne ; l'ingénierie — parois résistantes aux neutrons, production de tritium, stabilité du plasma sur des heures plutôt que des secondes — reste sans réponse.

A solar observatory image made physical through a brass telescope aimed at projected sunli
A solar observatory image made physical through a brass telescope aimed at projected sunli Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Nous ne comprenons pas entièrement comment la couronne solaire atteint un million de kelvins alors que la surface qui se trouve en dessous se maintient à 5 800. Le chauffage par ondes et la reconnexion magnétique sont les principales hypothèses, mais la Parker Solar Probe, qui a désormais traversé la couronne à plusieurs reprises, continue d'envoyer des données qui ne tranchent pas tout à fait la question.

Plasma (physics)
Plasma (physics) U.S. Air Force photo by Edward Aspera Jr. · Public domain

Et nous ne savons pas quelle fraction de la matière ordinaire manquante dans l'univers est enfermée dans le plasma intergalactique chaud situé entre les galaxies. Les meilleures estimations actuelles comblent la majeure partie de l'écart, mais les mesures se situent à la limite de ce que les télescopes à rayons X peuvent résoudre.

L'ordre consacré par les manuels — solide, liquide, gaz — est un provincialisme de planètes froides. Levez les yeux par une nuit claire et presque chaque point de lumière est la règle, non l'exception.

학교에서는 물질의 세 가지 상태를 가르쳤다. 그러나 우주는 네 번째 상태로 작동한다 — 더 뜨겁고, 더 요란하며, 너무나 흔해서 우리가 일상에서 마주치는 고체와 액체야말로 통계적 우연에 가깝다. 그 이름은 플라스마, 그리고 당신은 평생 그것을 바라보며 살아왔다.

1879년의 맑은 밤, 영국의 화학자 William Crookes는 유리관을 밀봉하고 내부의 공기를 거의 빼낸 뒤 두 전극 사이에 고전압을 걸었다. 남아 있던 기체가 빛을 내기 시작했다. 크룩스는 자신이 "빛나는 물질"을 만들어냈다고 기록했다. 기체가 액체와 다르듯, 이 물질은 기체와는 전혀 다른 상태라고 그는 주장했다. 왕립학회는 그 주장을 괴팍한 소리로 여겼다. 그러나 그는 반세기 앞서 옳았다.

크룩스가 만든 것은 저밀도 플라스마였다. 충분한 수의 원자에서 전자가 떨어져 나가, 자유로운 음전하와 양전하가 뒤섞인 수프 같은 상태의 기체다. 이 단어 자체는 나중에 생겨났다. 1928년, 제너럴 일렉트릭에서 기체 충전 진공관을 연구하던 미국의 화학자 Irving Langmuir는 자신의 전구 내부에서 이온화된 영역이 움직이며 다른 입자들을 운반하는 모습이, 혈장이 혈구를 운반하는 방식과 흡사하다는 것을 알아챘다. 그는 의학 용어를 빌려왔다. 그 이름은 그대로 굳었다.

Plasma fountain Wikimedia Commons · Public domain

플라스마란 무엇인가

플라스마는 기체를 계속 가열하여, 분자들이 가장 바깥쪽 전자를 붙잡아 둘 수 없는 지점을 넘어섰을 때 나타나는 상태다. 수소는 원자당 약 13.6 전자볼트에서 이온화되는데, 온도로 환산하면 대략 158,000 켈빈이다. 다만 기체가 충분히 희박하다면 실제로는 그보다 훨씬 낮은 온도에서 부분 이온화가 시작된다. 전자들이 떨어져 나오는 순간, 그 물질 덩어리는 더 이상 중성 유체처럼 거동하지 않는다. 전기를 전도한다. 자기장에 반응한다. 자석을 촛불 위로 끌어당겨도 거의 아무 일도 일어나지 않지만, 자석을 태양 표면 위로 끌어당기면 목성만 한 크기의 홍염이 솟구친다.

Free plasma physics image
Free plasma physics image Unknown · CC0 1.0

또 하나의 핵심적인 특성은 집단적 거동이다. 보통의 기체에서 분자들은 충돌하기 전까지 서로를 무시한다. 반면 플라스마에서는 Coulomb force의 장거리 작용 덕분에 모든 하전 입자가 다른 모든 입자를 동시에 느끼며, 매질 전체가 파동, 차폐층, 필라멘트 구조로 자기 조직화한다. 플라스마는 Debye length라고 불리는 특성 길이 척도 내에서 외부 전기장을 차폐하고, 특성 주파수로 진동한다. 이는 기체의 성질이 아니다. 물리학자들이 굳이 별도의 이름을 고집하는 이유가 바로 여기에 있다.

A gas discharge tube in a dark laboratory as heat and voltage strip electrons from atoms
A gas discharge tube in a dark laboratory as heat and voltage strip electrons from atoms Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

왜 플라스마가 우주를 지배하는가

지구의 얇은 생물권 바깥으로 나가면 그림이 뒤집힌다. 태양은 1500만 켈빈의 핵융합 핵에서 수백만 도의 코로나에 이르기까지 속속들이 플라스마다. 다른 모든 별도 마찬가지다. 성간 물질도 희박한 플라스마다. 은하단을 실처럼 꿰는 고온 가스의 광대한 필라멘트, 이른바 warm-hot intergalactic medium도 플라스마다. 질량 기준으로 망원경으로 관측 가능한 통상 물질, 즉 암흑 물질이 아닌 것들의 약 99퍼센트가 이 상태에 있다. 고체, 액체, 중성 기체는 암석형 행성 주변의 차가운 구석에서나 일어나는 일이다.

Free plasma physics image
Free plasma physics image Unknown · CC0 1.0

일상 속 사례들은 더 작고 더 기묘하다. 번개는 플라스마다. 공기 한 줄기가 순간적으로 약 3만 켈빈까지 가열되는데, 이는 태양 표면 온도의 다섯 배다. 형광등의 빛도 플라스마다. 전류에 의해 이온화된 수은 증기가 자외선을 방출하고, 흰색 형광 코팅이 이를 가시광선으로 변환하는 것이다. 네온사인, 나트륨 가로등, 용접 아크, 플라스마 커터의 푸른 불꽃, 위도 60도에서 희미하게 출렁이는 오로라. 이 모두가 밀도와 온도만 다를 뿐, 동일한 네 번째 상태다. 촛불 불꽃조차 가장 뜨거운 부분은 약하게나마 이온화되어 있어, 강한 전기장을 갖다 대면 불꽃이 휘는 이유가 그 때문이다.

용기 문제

플라스마가 뜨거운 물질의 자연스러운 상태라면, 그것을 활용할 수 있지 않겠냐는 질문이 자연스럽게 따라온다. 칠십 년째 이어져 온 대답은 이렇다. 거의 다 왔다. 핵융합, 즉 별을 밝히는 반응을 일으키려면 수소 플라스마를 1억 켈빈 이상, 태양 중심부보다도 뜨겁게 달궈야 한다. 지상의 반응로는 태양이 중력으로 누르는 것과 같은 압력을 구현할 수 없어, 그 부족분을 열로 메워야 하기 때문이다. 어떤 고체 용기도 그런 플라스마를 담을 수 없다. 벽이 기화되고 플라스마가 식어버릴 것이다. 그래서 자기장으로 가두는 방식을 택한다. 하전 입자들을 도넛 모양으로 형성해 원칙적으로 어떤 것과도 닿지 않게 한다.

A city street in rain with lightning reflected in wet pavement
A city street in rain with lightning reflected in wet pavement Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

소련의 물리학자 Igor TammAndrei Sakharov는 1950년에 이런 장치의 초안, 즉 tokamak을 처음으로 구상했다. 칠십오 년이 지난 지금, 그 구상의 후손들 중에는 프로방스에서 건설 중인 35개국 프로젝트 ITER와 2035년 이전에 순 에너지 이득을 목표로 하는 민간 벤처들이 있다. 2022년 12월, 캘리포니아의 National Ignition Facility는 자기장이 아닌 레이저를 이용해, 연료 펠릿에 전달된 레이저 펄스 에너지보다 더 많은 에너지를 방출한 핵융합 반응을 일으켰다. 지구상에서 처음 있는 일이었다. 그 순간은 수십억 분의 몇 초 동안 지속됐다.

Plasma physics
Plasma physics Unknown · CC0 1.0

아직 모르는 것들

자기 가둠 핵융합이 경제성을 갖출 수 있을지는 아직 모른다. 물리학은 작동하지만, 공학적 과제들, 즉 중성자에 견디는 벽, 삼중수소 증식, 몇 초가 아닌 몇 시간에 걸친 플라스마 안정성은 아직 해결되지 않았다.

A solar observatory image made physical through a brass telescope aimed at projected sunli
A solar observatory image made physical through a brass telescope aimed at projected sunli Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

태양의 코로나가 어떻게 5,800켈빈짜리 표면 아래에 있으면서도 백만 켈빈에 달하는지도 완전히 이해하지 못한다. 파동 가열과 자기 재연결이 유력한 후보이지만, 이미 코로나를 여러 차례 통과한 Parker Solar Probe가 보내오는 데이터는 아직 이 문제를 깔끔하게 매듭짓지 못하고 있다.

Plasma (physics)
Plasma (physics) U.S. Air Force photo by Edward Aspera Jr. · Public domain

그리고 우주에서 행방불명된 통상 물질의 얼마만큼이 은하들 사이의 고온 성간 플라스마 속에 갇혀 있는지도 모른다. 현재의 최선 추정치는 그 간극의 대부분을 메우지만, 측정값들은 X선 망원경이 분해할 수 있는 한계 끝에 걸쳐 있다.

고체, 액체, 기체로 이어지는 교과서의 순서는 차가운 행성에 사는 존재들의 편협한 시각일 뿐이다. 맑은 밤 하늘을 올려다보면, 빛나는 점들의 거의 모두가 예외가 아닌 원칙 그 자체다.

Sekolah mengajarimu tiga wujud materi. Alam semesta berjalan di atas wujud keempat — lebih panas, lebih gaduh, dan begitu melimpah hingga padatan serta cairan dalam kehidupan sehari-hari tak lebih dari kebetulan statistik. Namanya plasma, dan kau telah menatapnya sepanjang hidupmu.

Pada malam yang cerah di tahun 1879, kimiawan Inggris William Crookes menyegel sebuah tabung kaca, memompa keluar sebagian besar udaranya, lalu mengalirkan tegangan tinggi melalui dua elektrode di dalamnya. Gas yang tersisa mulai bercahaya. Crookes menulis bahwa ia telah menghasilkan "materi bercahaya" — sebuah zat yang, ia berpendapat, berbeda dari gas sebagaimana gas berbeda dari cairan. The Royal Society menganggap klaim itu eksentrik. Ia benar — setengah abad sebelum dunia menyusulnya.

Apa yang dibuat Crookes adalah plasma berkepadatan rendah: gas yang cukup banyak atomnya telah terlepas elektronnya sehingga hasilnya adalah sup muatan negatif dan positif bebas. Kata itu sendiri datang belakangan. Pada tahun 1928, kimiawan Amerika Irving Langmuir, yang sedang mengerjakan tabung vakum berisi gas di General Electric, memperhatikan bahwa daerah-daerah terionisasi di dalam tabungnya bergerak dan membawa partikel-partikel lain, mirip seperti plasma darah membawa sel-sel. Ia meminjam istilah medis itu. Dan istilah itu pun bertahan.

Plasma fountain Wikimedia Commons · Public domain

Apa Sebenarnya Plasma Itu

Plasma adalah apa yang terbentuk ketika Anda terus memanaskan gas melampaui titik di mana molekul-molekulnya tidak lagi mampu mempertahankan elektron terluarnya. Hidrogen terionisasi pada sekitar 13,6 elektronvolt per atom; dalam satuan suhu, itu kira-kira 158.000 kelvin, meski dalam praktiknya ionisasi parsial dimulai jauh lebih awal ketika gas cukup tipis. Begitu elektron-elektron terlepas, material secara keseluruhan berhenti berperilaku seperti fluida netral. Ia menghantarkan listrik. Ia merespons medan magnet. Gesekkan magnet di atas nyala lilin, hampir tidak ada yang terjadi; gesekkan melintasi permukaan Matahari, dan Anda mendapatkan prominensa surya seukuran Jupiter.

Free plasma physics image
Free plasma physics image Unknown · CC0 1.0

Ciri khas lain plasma adalah perilaku kolektifnya. Dalam gas biasa, molekul-molekul saling mengabaikan satu sama lain sampai bertabrakan. Dalam plasma, jangkauan jauh Coulomb force berarti setiap partikel bermuatan merasakan semua partikel lain sekaligus, dan medium itu mengorganisir dirinya sendiri menjadi gelombang, selubung, dan filamen. Plasma akan menyaring medan listrik yang diterapkan dalam panjang karakteristik tertentu — Debye length — dan berosilasi pada frekuensi karakteristik. Ini bukan sifat-sifat gas. Inilah mengapa para fisikawan bersikeras pada nama tersendiri.

A gas discharge tube in a dark laboratory as heat and voltage strip electrons from atoms
A gas discharge tube in a dark laboratory as heat and voltage strip electrons from atoms Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Mengapa Plasma Mendominasi Alam Semesta

Melangkah keluar dari biosfer tipis Bumi, dan gambarannya berbalik. Matahari adalah plasma dari dalam hingga ke ujung, dari inti fusi bersuhu 15 juta kelvin hingga korona bersuhu sejuta derajat. Setiap bintang lainnya adalah plasma. Medium antarbintang adalah plasma yang amat tipis. Filamen-filamen gas panas yang merajut gugus-gugus galaksi — yang dikenal sebagai warm-hot intergalactic medium — adalah plasma. Berdasarkan massa, sekitar 99 persen materi biasa, bukan materi gelap, yang terlihat melalui teleskop berada dalam wujud ini. Padatan, cairan, dan gas netral hanyalah apa yang terjadi di kantong-kantong dingin di dekat planet-planet berbatu.

Free plasma physics image
Free plasma physics image Unknown · CC0 1.0

Contoh-contoh sehari-hari lebih kecil dan lebih aneh. Petir adalah plasma: sebuah saluran udara yang sejenak dipanaskan hingga sekitar 30.000 kelvin, lima kali suhu permukaan Matahari. Cahaya tabung fluoresen adalah plasma — uap merkuri yang terionisasi oleh arus listrik, memancarkan ultraviolet yang diubah oleh lapisan fosfor putih menjadi cahaya tampak. Tanda neon, lampu jalan natrium, busur las, semburan biru pemotong plasma, kilap samar aurora di garis lintang enam puluh derajat: semuanya adalah wujud keempat yang sama, pada kepadatan dan suhu yang berbeda-beda. Bahkan nyala lilin pun sedikit terionisasi di bagian terparasnya — itulah mengapa medan listrik yang kuat dapat membelokkannya.

Masalah Botol

Jika plasma adalah wujud alami materi panas, pertanyaan yang muncul dengan sendirinya adalah apakah kita dapat memanfaatkannya. Jawabannya, selama tujuh puluh tahun, adalah: hampir. Fusi — reaksi yang menjadi sumber energi bintang-bintang — memerlukan plasma hidrogen pada suhu di atas 100 juta kelvin, lebih panas dari inti Matahari, karena reaktor di Bumi tidak dapat menandingi pengekangan gravitasi Matahari yang dahsyat dan harus menggantinya dengan panas. Tidak ada wadah padat yang mampu menahan plasma seperti itu; dinding-dindingnya akan menguap dan plasma akan mendingin. Maka ia dikurung dengan medan magnet, membentuk partikel-partikel bermuatan menjadi donat yang secara prinsip tidak pernah menyentuh apa pun.

A city street in rain with lightning reflected in wet pavement
A city street in rain with lightning reflected in wet pavement Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Para fisikawan Soviet Igor Tamm dan Andrei Sakharov merancang perangkat semacam itu yang pertama, tokamak, pada tahun 1950. Tujuh puluh lima tahun kemudian, penerus rancangan itu mencakup ITER, proyek tiga puluh lima negara yang sedang dibangun di Provence, dan segelintir usaha swasta yang membidik keuntungan energi neto sebelum 2035. Pada Desember 2022, National Ignition Facility di California, menggunakan laser alih-alih magnet, menghasilkan reaksi fusi yang melepaskan energi lebih banyak daripada yang dikirimkan oleh pulsa laser ke pelet bahan bakar — untuk pertama kalinya di Bumi. Tembakan itu berlangsung selama beberapa nanodetik.

Plasma physics
Plasma physics Unknown · CC0 1.0

Yang Belum Kita Ketahui

Kita tidak tahu apakah fusi pengekangan magnetik akan pernah layak secara ekonomi. Fisikanya berhasil; rekayasanya — dinding tahan neutron, pembiakan tritium, kestabilan plasma selama berjam-jam bukan sekadar beberapa detik — masih belum terpecahkan.

A solar observatory image made physical through a brass telescope aimed at projected sunli
A solar observatory image made physical through a brass telescope aimed at projected sunli Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Kita belum sepenuhnya memahami bagaimana korona Matahari mencapai suhu satu juta kelvin sementara permukaan di bawahnya hanya 5.800 kelvin. Pemanasan gelombang dan rekoneksi magnetik adalah kandidat utama, tetapi Parker Solar Probe, yang kini telah terbang melewati korona beberapa kali, masih mengirimkan data yang belum sepenuhnya menjawab pertanyaan itu.

Plasma (physics)
Plasma (physics) U.S. Air Force photo by Edward Aspera Jr. · Public domain

Dan kita tidak tahu berapa fraksi materi biasa yang hilang di alam semesta tersimpan dalam plasma antargalaksi yang hangat-panas di antara galaksi-galaksi. Estimasi terbaik saat ini menutup sebagian besar kesenjangan itu, tetapi pengukurannya berada di ambang batas kemampuan resolusi teleskop sinar-X.

Urutan dalam buku teks — padat, cair, gas — adalah pandangan sempit planet-planet dingin. Tataplah langit pada malam yang cerah, dan hampir setiap titik cahaya adalah aturan, bukan pengecualian.

Вам преподавали три состояния вещества. Вселенная работает на четвёртом — более горячем, более громком и настолько распространённом, что твёрдые тела и жидкости повседневной жизни оказываются лишь статистической случайностью. Имя ему — плазма, и вы смотрите на неё всю свою жизнь.

В ясную ночь 1879 года английский химик William Crookes запаял стеклянную трубку, выкачал из неё большую часть воздуха и подал высокое напряжение на два электрода внутри. Оставшийся газ начал светиться. Крукс написал, что создал «лучистую материю» — вещество, утверждал он, столь же отличное от газа, как газ от жидкости. Королевское общество сочло это заявление эксцентричным. Он оказался прав — опередив время на полвека.

То, что создал Крукс, было низкоплотной плазмой: газом, в котором достаточно много атомов лишились своих электронов, образовав смесь свободных отрицательных и положительных зарядов. Само слово появилось позже. В 1928 году американский химик Irving Langmuir, работавший с газонаполненными вакуумными трубками в компании General Electric, заметил, что ионизированные области внутри его ламп движутся и увлекают за собой другие частицы — примерно так же, как кровяная плазма переносит клетки. Он позаимствовал медицинский термин. Название прижилось.

Plasma fountain Wikimedia Commons · Public domain

Что это такое на самом деле

Плазма — это то, что получается, когда газ нагревают настолько, что его молекулы перестают удерживать внешние электроны. Водород ионизируется примерно при 13,6 электронвольта на атом; в единицах температуры это около 158 000 кельвин, хотя на практике частичная ионизация начинается значительно раньше, если газ достаточно разрежён. Как только электроны вырываются на свободу, вещество перестаёт вести себя как нейтральная жидкость. Оно проводит электричество. Оно реагирует на магнитные поля. Проведите магнитом сквозь пламя свечи — почти ничего не произойдёт; проведите им по поверхности Солнца — и вы получите солнечный протуберанец размером с Юпитер.

Free plasma physics image
Free plasma physics image Unknown · CC0 1.0

Другая определяющая черта — коллективное поведение. В обычном газе молекулы не замечают друг друга вплоть до столкновения. В плазме дальнодействие Coulomb force означает, что каждая заряженная частица ощущает все остальные разом, и среда самоорганизуется в волны, оболочки и нити. Плазма экранирует приложенное электрическое поле на характерном расстоянии — Debye length — и колеблется на характерной частоте. Это не газовые свойства. Именно поэтому физики настаивают на отдельном названии.

A gas discharge tube in a dark laboratory as heat and voltage strip electrons from atoms
A gas discharge tube in a dark laboratory as heat and voltage strip electrons from atoms Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Почему плазма господствует во Вселенной

Выйдите за пределы тонкой биосферы Земли — и картина переворачивается. Солнце насквозь состоит из плазмы: от ядра с температурой 15 миллионов кельвин, в котором идут реакции ядерного синтеза, до короны с температурой в миллион градусов. Любая другая звезда — тоже плазма. Межзвёздная среда — разреженная плазма. Гигантские нити горячего газа, пронизывающие скопления галактик, — так называемая warm-hot intergalactic medium — тоже плазма. По массе примерно 99 процентов обычного, не тёмного вещества, видимого в телескоп, пребывает именно в этом состоянии. Твёрдые тела, жидкости и нейтральные газы — вот что образуется в холодных закоулках возле каменистых планет.

Free plasma physics image
Free plasma physics image Unknown · CC0 1.0

Повседневные примеры скромнее и удивительнее. Молния — это плазма: канал воздуха, мгновенно разогретый примерно до 30 000 кельвин, что впятеро превышает температуру поверхности Солнца. Свечение флуоресцентной трубки — тоже плазма: пары ртути, ионизированные током и испускающие ультрафиолет, который белое фосфорное покрытие превращает в видимый свет. Неоновые вывески, натриевые уличные фонари, сварочная дуга, синий факел плазменного резака, слабое мерцание полярного сияния на широте шестидесяти градусов — всё это одно и то же четвёртое агрегатное состояние, при разных плотностях и температурах. Даже пламя свечи слабо ионизировано в наиболее горячих своих зонах — именно поэтому сильное электрическое поле способно его отклонить.

Проблема удержания

Если плазма — естественное состояние горячей материи, напрашивается вопрос: можно ли поставить её на службу человеку? Ответ на протяжении семидесяти лет один и тот же: почти. Термоядерный синтез — реакция, питающая звёзды, — требует водородной плазмы при температурах выше 100 миллионов кельвин: горячее, чем ядро Солнца, потому что земные реакторы не способны воспроизвести его сокрушительное гравитационное удержание и вынуждены восполнять дефицит теплом. Никакой твёрдый контейнер не выдержит такой плазмы: стенки испарятся, а плазма остынет. Поэтому её удерживают магнитными полями, придавая заряженным частицам форму тора, который в теории не соприкасается ни с одной твёрдой поверхностью.

A city street in rain with lightning reflected in wet pavement
A city street in rain with lightning reflected in wet pavement Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Советские физики Igor Tamm и Andrei Sakharov набросали проект первого такого устройства — tokamak — в 1950 году. Семьдесят пять лет спустя потомки того наброска — это ITER, совместный проект тридцати пяти государств, строящийся в Провансе, и целый ряд частных предприятий, рассчитывающих достичь чистого энергетического выхода до 2035 года. В декабре 2022 года National Ignition Facility в Калифорнии, используя лазеры вместо магнитов, провела реакцию синтеза, которая выделила больше энергии, чем лазерный импульс доставил топливной мишени, — впервые на Земле. Выстрел длился несколько миллиардных долей секунды.

Plasma physics
Plasma physics Unknown · CC0 1.0

Чего мы всё ещё не знаем

Мы не знаем, окажется ли термоядерный синтез с магнитным удержанием когда-либо экономически выгодным. Физика работает; инженерия — нейтронностойкие стенки, наработка трития, устойчивость плазмы на протяжении часов, а не секунд — остаётся нерешённой.

A solar observatory image made physical through a brass telescope aimed at projected sunli
A solar observatory image made physical through a brass telescope aimed at projected sunli Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Мы не до конца понимаем, как солнечная корона разогревается до миллиона кельвин, тогда как поверхность под ней имеет температуру лишь 5 800 кельвин. Волновой нагрев и магнитное пересоединение — наиболее вероятные объяснения, однако Parker Solar Probe, уже несколько раз пролетевший сквозь корону, по-прежнему присылает данные, которые этот вопрос окончательно не закрывают.

Plasma (physics)
Plasma (physics) U.S. Air Force photo by Edward Aspera Jr. · Public domain

И мы не знаем, какая доля недостающего обычного вещества во Вселенной сосредоточена в тёплой горячей межгалактической плазме между галактиками. Нынешние наилучшие оценки закрывают большую часть этого пробела, однако измерения лежат на пределе разрешения рентгеновских телескопов.

Учебная иерархия — твёрдое, жидкое, газообразное — это провинциализм холодных планет. Взгляните вверх в ясную ночь — и почти каждая светящаяся точка окажется правилом, а не исключением.

شيء ما علّمتكَ إياه المدرسة عن حالات المادة الثلاث. أما الكون فيعمل على رابعة — أشدّ حرارةً، وأعلى صخباً، وفيرةً لدرجة أن الجوامد والسوائل التي تعرفها في حياتك اليومية ليست إلا حوادث إحصائية. اسمها البلازما، وأنتَ تحدّق فيها طوال عمرك.

في ليلةٍ صافية من عام 1879، أحكم الكيميائيُّ الإنجليزي William Crookes إغلاقَ أنبوبٍ زجاجي، ثم سحب معظم الهواء من داخله، وأمرَّ تياراً عالي الجهد بين قطبين كهربائيين فيه. بدأ الغاز المتبقي يتوهج. كتب كروكس أنه أنتج "مادةً مشعّة" — مادةٌ، في رأيه، تختلف عن الغاز اختلاف الغاز عن السائل. رأت الجمعية الملكية في هذا الادعاء ضرباً من الشذوذ. غير أنه كان على حق — بفارق نصف قرن.

ما صنعه كروكس كان بلازماً منخفض الكثافة: غازٌ تُجرَّد فيه ذراتٌ كافية من إلكتروناتها الخارجية حتى يغدو الناتج حساءً من الشحنات السالبة والموجبة الحرة. أما الاسم فجاء لاحقاً. في عام 1928، لاحظ الكيميائيُّ الأمريكي Irving Langmuir، وهو يعمل على أنابيب التفريغ المملوءة بالغاز في شركة جنرال إلكتريك، أن المناطق المتأيّنة داخل مصابيحه تتحرك وتحمل الجسيمات الأخرى معها، تماماً كما يحمل بلازما الدم الخلايا. فاستعار المصطلح الطبي، وبقي.

Plasma fountain Wikimedia Commons · Public domain

ما هي في الحقيقة

البلازما هي ما تحصل عليه حين تواصل تسخين غازٍ إلى ما وراء النقطة التي تعجز فيها جزيئاته عن الإمساك بإلكتروناتها الخارجية. يتأيّن الهيدروجين عند نحو 13.6 إلكترون فولت للذرة؛ وهذا يعادل بمقاييس الحرارة ما يقارب 158,000 كلفن، وإن كان التأيّن الجزئي يبدأ في الواقع في درجات أدنى بكثير حين يكون الغاز رقيقاً بما يكفي. وما إن تنفلت الإلكترونات حتى تكفَّ المادةُ عن التصرف كمائع محايد: تصبح موصلةً للكهرباء، وتستجيب للمجالات المغناطيسية. مرّر مغناطيساً فوق لهب شمعة ولن يحدث شيء يُذكر؛ مرّره فوق سطح الشمس وستحصل على بروز شمسي بحجم المشتري.

Free plasma physics image
Free plasma physics image Unknown · CC0 1.0

والميزة المميِّزة الأخرى هي السلوك الجماعي. في الغاز العادي، تتجاهل الجزيئات بعضها حتى تتصادم. أما في البلازما، فإن المدى البعيد لـCoulomb force يجعل كل جسيم مشحون يستشعر سائر الجسيمات في آنٍ واحد، فتُنظِّم المادةُ نفسَها في موجات وأغماد وخيوط. تُخفِّف البلازما المجالَ الكهربائي المُسلَّط عليها عبر مسافة مميّزة — هي Debye length — وتتذبذب عند تردد مميّز. هذه ليست خصائص غازية. وهذا بالضبط ما يجعل الفيزيائيين يُصرّون على التسمية المستقلة.

A gas discharge tube in a dark laboratory as heat and voltage strip electrons from atoms
A gas discharge tube in a dark laboratory as heat and voltage strip electrons from atoms Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

لماذا تهيمن على الكون

اخرج إلى ما وراء الغلاف الحيوي الرقيق للأرض وسينقلب المشهد رأساً على عقب. الشمس بلازما من الداخل إلى الخارج: من نواتها الاندماجية المحترقة عند خمسة عشر مليون كلفن، حتى إكليلها الذي يبلغ مليون درجة. كل نجم آخر بلازما. الوسط النجمي البيني بلازما رقيقة. والخيوط الهائلة من الغاز الحار التي تنسج عناقيد المجرات — ما يُعرف بـwarm-hot intergalactic medium — بلازما كذلك. بحسب الكتلة، نحو 99 بالمئة من المادة العادية غير المظلمة التي يمكن رصدها بالمنظار الفلكي توجد في هذه الحالة. أما الأجسام الصلبة والسوائل والغازات المحايدة فهي ما يحدث في الجيوب الباردة قرب الكواكب الصخرية.

Free plasma physics image
Free plasma physics image Unknown · CC0 1.0

أما الأمثلة اليومية فأصغر حجماً وأعجب. البرق بلازما: قناةٌ من الهواء تُسخَّن لفترة وجيزة إلى نحو 30,000 كلفن، أي خمسة أضعاف حرارة سطح الشمس. وضوء الأنبوب الفلوري بلازما — بخار الزئبق المتأيّن بتيار كهربائي يبعث أشعة فوق بنفسجية يحوّلها طلاء الفوسفور الأبيض إلى ضوء مرئي. لافتات النيون، ومصابيح الصوديوم في الشوارع، وقوس اللحام، واللهب الأزرق لقاطعة البلازما، والوميض الخافت للشفق القطبي عند خط عرض الستين درجة: كلها الحالة الرابعة ذاتها، في كثافات ودرجات حرارة مختلفة. حتى لهب الشمعة يكون متأيّناً جزئياً في أشد مناطقه سخونة، ولهذا يستطيع مجالٌ كهربائي قوي أن يثني لهبه.

مشكلة الوعاء

إذا كانت البلازما الحالةَ الطبيعية للمادة الحارة، فالسؤال المطروح من تلقاء نفسه: هل يمكننا توظيفها؟ والجواب منذ سبعين عاماً: كاد ذلك أن يتحقق. الاندماج النووي — التفاعل الذي يُمدُّ النجوم بطاقتها — يتطلب بلازما هيدروجينية بدرجات حرارة تتجاوز 100 مليون كلفن، أسخن من قلب الشمس، لأن المفاعلات الأرضية لا تستطيع مجاراة الضغط الجاذبي الهائل الذي تفرضه الشمس على نفسها، وعليها أن تعوّض هذا العجز بالحرارة. لا يتحمل أي وعاء صلب مثل هذه البلازما؛ ستتبخر جدرانه وتبرد البلازما. لذا تُحصر بمجالات مغناطيسية تُشكّل الجسيمات المشحونة في حلقة توروسية لا تلمس نظرياً شيئاً.

A city street in rain with lightning reflected in wet pavement
A city street in rain with lightning reflected in wet pavement Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

رسم الفيزيائيان السوفيتيان Igor Tamm وAndrei Sakharov أول جهاز من هذا القبيل، tokamak، عام 1950. وبعد خمسة وسبعين عاماً، تشمل سلالة ذلك الرسم ITER، المشروع الذي تشترك فيه خمسة وثلاثون دولة وهو قيد الإنشاء في إقليم بروفانس، وجملةً من المشاريع الخاصة التي تسعى إلى تحقيق كسب صافٍ من الطاقة قبل عام 2035. وفي ديسمبر 2022، أنتجت National Ignition Facility في كاليفورنيا، بالليزر لا المغناطيس، تفاعل اندماج أطلق طاقةً أكثر مما أوصلته نبضة الليزر إلى حبيبة الوقود — للمرة الأولى على وجه الأرض. استمرت تلك اللقطة بضع نانوثانيات.

Plasma physics
Plasma physics Unknown · CC0 1.0

ما لا نعرفه بعد

لا نعلم بعدُ إن كان الاندماج بالحصر المغناطيسي سيصبح يوماً مجدياً اقتصادياً. الفيزياء تسير؛ أما الهندسة — جدرانٌ مقاومة للنيوترونات، وتربيةُ التريتيوم، واستقرار البلازما لساعات لا لثوانٍ — فلا تزال معلّقة.

A solar observatory image made physical through a brass telescope aimed at projected sunli
A solar observatory image made physical through a brass telescope aimed at projected sunli Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

لا نفهم تماماً كيف يبلغ إكليل الشمس مليون كلفن في حين يقف السطح أسفله عند 5,800. التسخين بالأمواج وإعادة الاتصال المغناطيسي هما المرشحان الأبرز، لكن Parker Solar Probe، الذي اخترق الإكليل الشمسي مرات عدة حتى الآن، لا يزال يُرسل بيانات لم تحسم السؤال بعد.

Plasma (physics)
Plasma (physics) U.S. Air Force photo by Edward Aspera Jr. · Public domain

ولا نعرف أي نسبة من المادة العادية المفقودة في الكون محجوزة في البلازما الدافئة الحارة بين المجرات. تسدُّ أفضل التقديرات الحالية معظم هذه الفجوة، لكن القياسات تقف عند حدود دقة ما تستطيع تلسكوبات الأشعة السينية رصده.

الترتيب التقليدي — صلب، سائل، غاز — ليس سوى انحياز المكان، وُلد في أحضان الكواكب الباردة. انظر إلى السماء في ليلة صافية وستجد أن كل نقطة ضوء تكاد هي القاعدة، لا الاستثناء.

学校では物質の三態を教わる。だが宇宙は、第四の状態で動いている——もっと熱く、もっと激しく、そしてあまりにも豊富に存在するため、日常に溢れる固体や液体こそが、統計的な偶然の産物なのだ。その名はプラズマ。あなたはずっと、それを見つめ続けてきた。

1879年のある晴れた夜、英国の化学者William Crookesはガラス管を密封し、内部の空気をほぼ抜き取って、二本の電極の両端に高電圧を流した。残留ガスが発光し始めた。クルックスはこれを「輝く物質」と記した——気体が液体と異なるように、この物質もまた気体とは本質的に異なると彼は論じたのだ。王立学会はその主張を奇矯と見なした。彼は半世紀先んじて正しかったのである。

クルックスが生み出したのは低密度プラズマ——十分な数の原子から電子が剥ぎ取られ、自由な負電荷と正電荷のスープと化したガスだ。この言葉が生まれたのは後のことである。1928年、米国の化学者Irving Langmuirはゼネラル・エレクトリック社でガス封入真空管の研究をしていた際、管球内部のイオン化した領域が、ちょうど血漿が血球を運ぶように他の粒子を運んで動くことに気づいた。彼は医学用語を借用した。その名が定着した。

Plasma fountain Wikimedia Commons · Public domain

実のところプラズマとは何か

プラズマとは、ガスをその最外殻電子を保持できなくなる点を超えてさらに加熱し続けたときに生じるものだ。水素は1原子あたり約13.6電子ボルトでイオン化する。温度に換算すると約15万8000ケルビンに相当するが、実際には、ガスが十分に希薄であれば部分的なイオン化がそれよりずっと早く始まる。いったん電子が解放されると、その物質は全体として中性流体としての振る舞いをやめる。電気を導く。磁場に反応する。ろうそくの炎に磁石を近づけて動かしても大して何も起きないが、太陽の表面でそれをすれば木星ほどの大きさのプロミネンスが出現する。

Free plasma physics image
Free plasma physics image Unknown · CC0 1.0

もう一つの際立った特性は、集団的振る舞いだ。通常のガスでは、分子は衝突するまで互いを無視する。プラズマでは、Coulomb forceの長距離到達性により、すべての荷電粒子が他のすべてを同時に感じ、媒質は波、シース、フィラメントへと自己組織化する。プラズマは特性長さ——Debye length——にわたって印加電場を遮蔽し、特性周波数で振動する。これらはガスの性質ではない。物理学者が「プラズマ」という独立した名称にこだわる理由が、ここにある。

A gas discharge tube in a dark laboratory as heat and voltage strip electrons from atoms
A gas discharge tube in a dark laboratory as heat and voltage strip electrons from atoms Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

なぜプラズマは宇宙を支配するのか

地球の薄い生物圏の外に出れば、様相は一変する。太陽は、1500万ケルビンの核融合を起こす中心核から100万度のコロナまで、隅々までプラズマだ。他のあらゆる星もプラズマである。星間物質は希薄なプラズマだ。銀河団を貫く高温ガスの巨大なフィラメント——いわゆるwarm-hot intergalactic medium——もプラズマだ。質量にして、望遠鏡で見える通常の(ダークマターでない)物質のおよそ99パーセントがこの状態にある。固体、液体、中性ガスは、岩石惑星の近傍という冷たいポケットの中にだけ生じる。

Free plasma physics image
Free plasma physics image Unknown · CC0 1.0

身近な例はさらに小さく、奇妙だ。雷はプラズマだ——空気の一筋が瞬時に約3万ケルビンに加熱された通路であり、これは太陽の表面温度の5倍に相当する。蛍光管の発光もプラズマだ——電流によってイオン化した水銀蒸気が紫外線を放射し、白色の蛍光体コーティングがそれを可視光に変換する。ネオンサイン、ナトリウム街路灯、溶接アーク、プラズマカッターの青い炎、北緯60度での薄くゆらめくオーロラ——すべて同じ第4の状態が、異なる密度と温度のもとで現れたものだ。ろうそくの炎でさえ、最も高温な領域では弱いイオン化が起きている。強い電場が炎を曲げることができるのはそのためだ。

封じ込めという難題

プラズマが高温物質の自然状態であるなら、それを利用できないかというのは当然の問いだ。答えは70年間、「もう少しのところで」だった。核融合——星を輝かせる反応——には1億ケルビンを超える、太陽の中心より高温な水素プラズマが必要だ。地上の炉は太陽の強烈な重力閉じ込めを再現できず、その不足を熱で補わなければならないからだ。そのような高温プラズマをいかなる固体容器も封じ込められない。壁が蒸発し、プラズマは冷えてしまう。だから代わりに磁場で閉じ込め、荷電粒子を理論上は何にも触れないドーナツ状の形に整形する。

A city street in rain with lightning reflected in wet pavement
A city street in rain with lightning reflected in wet pavement Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

ソビエトの物理学者Igor TammAndrei Sakharovが、1950年にその最初の装置——tokamak——の設計を描いた。75年後、その設計の末裔には、プロヴァンスで建設中の35カ国プロジェクトITERと、2035年までに正味のエネルギー利得を目指す民間企業群が含まれる。2022年12月、カリフォルニア州のNational Ignition Facilityは、磁場ではなくレーザーを使い、燃料ペレットに供給したレーザーエネルギーを上回るエネルギーを放出する核融合反応を地球上で初めて実現した。そのショットは数十億分の一秒間続いた。

Plasma physics
Plasma physics Unknown · CC0 1.0

いまだわからないこと

磁気閉じ込め核融合が経済的に成立するかどうかは、まだわかっていない。物理学は機能する。だが工学——中性子耐性を持つ壁、トリチウム増殖、数秒ではなく数時間にわたるプラズマの安定性——は未解決のままだ。

A solar observatory image made physical through a brass telescope aimed at projected sunli
A solar observatory image made physical through a brass telescope aimed at projected sunli Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

太陽のコロナがなぜ、その直下の表面が5800ケルビンしかないのに100万ケルビンに達するのかも、完全には解明されていない。波加熱と磁気リコネクションが有力な候補だが、すでに数度コロナ内を飛行したParker Solar Probeは、問いを完全には解決しないデータを今も送り続けている。

Plasma (physics)
Plasma (physics) U.S. Air Force photo by Edward Aspera Jr. · Public domain

宇宙の「失われた通常物質」のうち、どれだけが銀河間の高温プラズマに閉じ込められているかも、依然として不明だ。現時点の最良の推定はギャップの大部分を埋めるが、その測定値はX線望遠鏡の分解能の限界ぎりぎりだ。

固体、液体、気体という教科書の順序は、冷たい惑星の住人特有の偏った見方に過ぎない。晴れた夜に空を見上げれば、ほぼすべての光点は例外ではなく、宇宙の普遍そのものだ。

Drei Aggregatzustände hat die Schule gelehrt. Das Universum läuft mit einem vierten — heißer, lauter, und so verbreitet, dass Feststoffe und Flüssigkeiten des Alltags statistische Ausnahmen sind. Sein Name ist Plasma, und du hast es dein Leben lang angestarrt.

An einem klaren Abend im Jahr 1879 versiegelte der englische Chemiker William Crookes ein Glasrohr, pumpte den größten Teil der Luft heraus und legte eine Hochspannung an zwei Elektroden im Inneren an. Das verbleibende Gas begann zu leuchten. Crookes schrieb, er habe „strahlende Materie" erzeugt — eine Substanz, die, wie er argumentierte, so verschieden vom Gas sei wie Gas von Flüssigkeit. Die Royal Society hielt die These für exzentrisch. Er behielt recht — ein halbes Jahrhundert zu früh.

Was Crookes hergestellt hatte, war ein Plasma geringer Dichte: ein Gas, in dem genügend Atome ihrer Elektronen beraubt worden sind, sodass das Ergebnis eine Suppe aus freien negativen und positiven Ladungen ist. Das Wort selbst kam später. 1928 bemerkte der amerikanische Chemiker Irving Langmuir, der bei General Electric an gasgefüllten Vakuumröhren arbeitete, dass sich die ionisierten Bereiche in seinen Röhren bewegten und andere Teilchen in ähnlicher Weise mitführten, wie Blutplasma Zellen transportiert. Er lieh sich den medizinischen Begriff aus. Er blieb haften.

Plasma fountain Wikimedia Commons · Public domain

Was es tatsächlich ist

Ein Plasma entsteht, wenn man ein Gas weiter erhitzt, bis seine Moleküle ihre äußersten Elektronen nicht mehr festhalten können. Wasserstoff ionisiert bei etwa 13,6 Elektronenvolt pro Atom; in Temperatureinheiten sind das ungefähr 158.000 Kelvin, obwohl in der Praxis die partielle Ionisierung früher einsetzt, wenn das Gas dünn genug ist. Sobald sich die Elektronen lösen, verhält sich das Material in seiner Gesamtheit nicht mehr wie ein neutrales Fluid. Es leitet Elektrizität. Es reagiert auf Magnetfelder. Führt man einen Magneten über eine Kerzenflamme, geschieht kaum etwas; führt man ihn über die Oberfläche der Sonne, erhält man eine Sonneneruption von der Größe des Jupiters.

Free plasma physics image
Free plasma physics image Unknown · CC0 1.0

Der andere definitorische Kunstgriff ist das kollektive Verhalten. In einem gewöhnlichen Gas ignorieren sich Moleküle gegenseitig, bis sie zusammenstoßen. Im Plasma bedeutet die große Reichweite der Coulomb force, dass jedes geladene Teilchen alle anderen gleichzeitig spürt, und das Medium organisiert sich in Wellen, Hüllen und Filamente. Ein Plasma schirmt ein angelegtes elektrisches Feld über eine charakteristische Länge ab — die Debye length — und oszilliert mit einer charakteristischen Frequenz. Das sind keine Gaseigenschaften. Das ist der Grund, warum Physiker auf dem gesonderten Namen bestehen.

A gas discharge tube in a dark laboratory as heat and voltage strip electrons from atoms
A gas discharge tube in a dark laboratory as heat and voltage strip electrons from atoms Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Warum es das Universum beherrscht

Verlässt man die dünne Biosphäre der Erde, kehrt sich das Bild um. Die Sonne besteht durchgehend aus Plasma, vom 15-Millionen-Kelvin-heißen Fusionskern bis zur millionengradigen Korona. Jeder andere Stern ist Plasma. Das interstellare Medium ist ein dünnes Plasma. Die gewaltigen Fäden heißen Gases, die Galaxienhaufen durchziehen — das sogenannte warm-hot intergalactic medium — sind Plasma. Nach Masse befinden sich rund 99 Prozent der gewöhnlichen, nicht-dunklen Materie, die durch ein Teleskop sichtbar ist, in diesem Zustand. Feststoffe, Flüssigkeiten und neutrale Gase sind das, was in den kalten Nischen nahe felsiger Planeten vorkommt.

Free plasma physics image
Free plasma physics image Unknown · CC0 1.0

Die alltäglichen Beispiele sind kleiner und seltsamer. Blitz ist Plasma: ein Luftkanal, der kurzzeitig auf etwa 30.000 Kelvin erhitzt wird, das Fünffache der Oberflächentemperatur der Sonne. Das Leuchten einer Leuchtstoffröhre ist Plasma — Quecksilberdampf, der durch einen Strom ionisiert wird und Ultraviolett emittiert, das die weiße Phosphorbeschichtung in sichtbares Licht umwandelt. Neonreklamen, Natriumdampflampen, der Schweißlichtbogen, der blaue Strahl eines Plasmaschneiders, das schwache Schimmern eines Polarlichts bei sechzig Grad Breite: alles derselbe vierte Zustand, bei unterschiedlichen Dichten und Temperaturen. Selbst eine Kerzenflamme ist in ihren heißesten Bereichen schwach ionisiert, weshalb ein starkes elektrisches Feld sie ablenken kann.

Das Einschlussproblem

Wenn Plasma der natürliche Zustand heißer Materie ist, stellt sich die naheliegende Frage, ob wir es nutzbar machen können. Die Antwort lautet seit siebzig Jahren: fast. Fusion — die Reaktion, die Sterne antreibt — erfordert Wasserstoffplasma bei Temperaturen über 100 Millionen Kelvin, heißer als der Kern der Sonne, weil irdische Reaktoren den erdrückenden Gravitationseinschluss der Sonne nicht nachahmen können und den Fehlbetrag durch Wärme ausgleichen müssen. Kein fester Behälter kann ein solches Plasma halten; die Wände würden verdampfen und das Plasma würde sich abkühlen. Also schließt man es stattdessen mit Magnetfeldern ein und formt die geladenen Teilchen zu einem Torus, der im Prinzip nichts berührt.

A city street in rain with lightning reflected in wet pavement
A city street in rain with lightning reflected in wet pavement Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Die sowjetischen Physiker Igor Tamm und Andrei Sakharov skizzierten 1950 das erste derartige Gerät, den tokamak. Fünfundsiebzig Jahre später gehören zu den Nachfahren dieses Entwurfs ITER, ein 35-Nationen-Projekt im Bau in der Provence, sowie eine Handvoll privater Unternehmungen, die vor 2035 eine positive Energiebilanz anstreben. Im Dezember 2022 erzeugte die National Ignition Facility in Kalifornien mithilfe von Lasern statt Magneten eine Fusionsreaktion, die mehr Energie freisetzte als der Laserimpuls dem Brennstoffpellet zuführte — zum ersten Mal auf der Erde. Der Schuss dauerte einige Milliardstelsekunden.

Plasma physics
Plasma physics Unknown · CC0 1.0

Was wir noch nicht wissen

Wir wissen nicht, ob magnetisch eingeschlossene Fusion jemals wirtschaftlich sein wird. Die Physik funktioniert; die Ingenieurskunst — neutronenresistente Wände, Tritiumerbrütung, Plasmastabilität über Stunden statt Sekunden — ist ungeklärt.

A solar observatory image made physical through a brass telescope aimed at projected sunli
A solar observatory image made physical through a brass telescope aimed at projected sunli Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Wir verstehen noch nicht vollständig, wie die Korona der Sonne eine Million Kelvin erreicht, während die Oberfläche darunter bei 5.800 Kelvin liegt. Wellenheizung und magnetische Rekonnektion sind die führenden Kandidaten, aber die Parker Solar Probe, die inzwischen mehrfach durch die Korona geflogen ist, sendet weiterhin Daten zurück, die die Frage nicht abschließend klären.

Plasma (physics)
Plasma (physics) U.S. Air Force photo by Edward Aspera Jr. · Public domain

Und wir wissen nicht, welcher Anteil der fehlenden gewöhnlichen Materie im Universum im warm-heißen intergalaktischen Plasma zwischen den Galaxien eingeschlossen ist. Die derzeit besten Schätzungen schließen den größten Teil der Lücke, aber die Messungen liegen an der Grenze dessen, was Röntgenteleskope auflösen können.

Die Lehrbuchreihenfolge — fest, flüssig, gasförmig — ist der Provinzialismus kalter Planeten. Blickt man in einer klaren Nacht nach oben, ist fast jeder Lichtpunkt die Regel, nicht die Ausnahme.

स्कूल ने आपको पदार्थ की तीन अवस्थाएँ सिखाईं। ब्रह्मांड चलता है चौथी पर — अधिक तप्त, अधिक मुखर, और इतनी सर्वव्यापी कि ठोस और तरल पदार्थ की रोज़मर्रा की दुनिया तो बस एक सांख्यिकीय संयोग है। इसका नाम है प्लाज़्मा, और आप इसे जीवन भर निहारते आए हैं।

1879 की एक साफ रात में, अंग्रेज़ रसायनशास्त्री William Crookes ने एक काँच की नली को बंद किया, उसमें से अधिकांश हवा निकाल दी, और भीतर लगे दो इलेक्ट्रोड के बीच उच्च वोल्टेज प्रवाहित किया। बची हुई गैस चमकने लगी। क्रूक्स ने लिखा कि उन्होंने "दीप्तिमान पदार्थ" उत्पन्न किया है — एक ऐसा पदार्थ, उनका तर्क था, जो गैस से उतना ही अलग है जितना गैस, द्रव से। रॉयल सोसायटी को यह दावा सनकी लगा। वे, जैसा आधी सदी बाद सिद्ध हुआ, सही थे।

जो क्रूक्स ने बनाया था वह एक कम-घनत्व वाला प्लाज़्मा था: एक ऐसी गैस जिसमें पर्याप्त परमाणु अपने इलेक्ट्रॉन खो चुके हों कि परिणाम स्वतंत्र ऋणात्मक और धनात्मक आवेशों का एक घोल बन जाए। यह शब्द बाद में आया। 1928 में अमेरिकी रसायनशास्त्री Irving Langmuir, जनरल इलेक्ट्रिक में गैस-भरे वैक्यूम ट्यूबों पर काम करते हुए, ने देखा कि उनके बल्बों के भीतर आयनीकृत क्षेत्र गतिशील होते हैं और अन्य कणों को उसी तरह साथ लेकर चलते हैं जैसे रक्त का प्लाज़्मा कोशिकाओं को वहन करता है। उन्होंने चिकित्सा-शास्त्र का यह शब्द उधार लिया। वह टिक गया।

Plasma fountain Wikimedia Commons · Public domain

यह वास्तव में क्या है

प्लाज़्मा वह है जो तब मिलता है जब आप किसी गैस को उस बिंदु से भी आगे गर्म करते रहें जहाँ उसके अणु अपने सबसे बाहरी इलेक्ट्रॉनों को थामे रख सकते हैं। हाइड्रोजन प्रति परमाणु लगभग 13.6 इलेक्ट्रॉनवोल्ट पर आयनीकृत होती है; तापमान की इकाइयों में यह लगभग 158,000 केल्विन है, यद्यपि व्यवहार में आंशिक आयनीकरण तब बहुत पहले शुरू हो जाता है जब गैस पर्याप्त विरल हो। एक बार जब इलेक्ट्रॉन मुक्त हो जाते हैं, तो समग्र पदार्थ एक तटस्थ द्रव की तरह व्यवहार करना बंद कर देता है। वह विद्युत का संचालन करता है। वह चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति अनुक्रिया करता है। एक चुंबक को मोमबत्ती की लौ पर फेरिए और कुछ खास नहीं होता; उसे सूर्य की सतह पर फेरिए और आपको बृहस्पति के आकार की एक सौर ज्वाला मिलती है।

Free plasma physics image
Free plasma physics image Unknown · CC0 1.0

दूसरी बड़ी पहचान है सामूहिक व्यवहार। एक साधारण गैस में, अणु एक-दूसरे को तब तक अनदेखा करते हैं जब तक वे टकराते नहीं। प्लाज़्मा में Coulomb force की दीर्घ परास का अर्थ है कि प्रत्येक आवेशित कण एक साथ हर दूसरे कण को अनुभव करता है, और यह माध्यम तरंगों, आवरणों और तंतुओं में स्वयं को व्यवस्थित करता है। एक प्लाज़्मा किसी लगाए गए विद्युत क्षेत्र को एक विशिष्ट लंबाई — Debye length — के भीतर परिरक्षित कर लेगा, और एक विशिष्ट आवृत्ति पर दोलन करेगा। ये गैस के गुण नहीं हैं। यही कारण है कि भौतिकशास्त्री एक अलग नाम पर ज़ोर देते हैं।

A gas discharge tube in a dark laboratory as heat and voltage strip electrons from atoms
A gas discharge tube in a dark laboratory as heat and voltage strip electrons from atoms Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

यह ब्रह्मांड पर क्यों राज करता है

पृथ्वी के पतले जीवमंडल से बाहर कदम रखिए और तस्वीर पलट जाती है। सूर्य पूरी तरह से प्लाज़्मा है — डेढ़ करोड़ केल्विन के संलयन करते कोर से लेकर दस लाख डिग्री के कोरोना तक। हर दूसरा तारा भी प्लाज़्मा है। अंतरतारकीय माध्यम एक विरल प्लाज़्मा है। आकाशगंगा-समूहों को जोड़ने वाले गर्म गैस के विशाल तंतु — तथाकथित warm-hot intergalactic medium — प्लाज़्मा हैं। द्रव्यमान की दृष्टि से, दूरबीन से दिखने वाले सामान्य, गैर-अंधकार पदार्थ का लगभग 99 प्रतिशत इसी अवस्था में है। ठोस, द्रव और तटस्थ गैसें वही हैं जो शिलामय ग्रहों के निकट ठंडे कोनों में पाई जाती हैं।

Free plasma physics image
Free plasma physics image Unknown · CC0 1.0

रोज़मर्रा के उदाहरण छोटे और अजीब हैं। बिजली प्लाज़्मा है: हवा का एक ऐसा चैनल जो क्षण-भर के लिए लगभग 30,000 केल्विन तक गर्म हो जाता है — सूर्य की सतह के तापमान से पाँच गुना अधिक। फ्लोरोसेंट ट्यूब की चमक प्लाज़्मा है — विद्युत-धारा से आयनीकृत पारे की भाप, जो पराबैंगनी विकिरण उत्सर्जित करती है जिसे सफेद फॉस्फर का आवरण दृश्य प्रकाश में बदलता है। नियॉन साइन, सोडियम की सड़क-बत्तियाँ, वेल्डिंग की चाप, प्लाज़्मा कटर की नीली धार, साठ डिग्री अक्षांश पर अरोरा की मंद-सी आभा: सब एक ही चौथी अवस्था, अलग-अलग घनत्व और तापमान पर। यहाँ तक कि मोमबत्ती की लौ अपने सबसे गर्म क्षेत्रों में हल्की-सी आयनीकृत होती है, इसीलिए एक शक्तिशाली विद्युत क्षेत्र उसे मोड़ सकता है।

बोतल की समस्या

यदि प्लाज़्मा गर्म पदार्थ की प्राकृतिक अवस्था है, तो स्वाभाविक प्रश्न यह है कि क्या हम इसे काम में ला सकते हैं। इसका उत्तर, सत्तर वर्षों से, यही रहा है: लगभग। संलयन — वह प्रतिक्रिया जो तारों को शक्ति देती है — के लिए 10 करोड़ केल्विन से अधिक तापमान पर हाइड्रोजन प्लाज़्मा चाहिए, सूर्य के कोर से भी अधिक गर्म, क्योंकि धरती के रिएक्टर सूर्य के कुचलते गुरुत्वीय परिरोध की बराबरी नहीं कर सकते और इस कमी की भरपाई ताप से करनी पड़ती है। कोई ठोस पात्र ऐसे प्लाज़्मा को धारण नहीं कर सकता; दीवारें वाष्पीकृत हो जाएँगी और प्लाज़्मा ठंडा पड़ जाएगा। तो आप इसे चुंबकीय क्षेत्रों से परिरुद्ध करते हैं, आवेशित कणों को एक डोनट के आकार में ढालते हुए जो सिद्धांततः कभी किसी चीज़ को नहीं छूता।

A city street in rain with lightning reflected in wet pavement
A city street in rain with lightning reflected in wet pavement Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

सोवियत भौतिकशास्त्री Igor Tamm और Andrei Sakharov ने 1950 में पहले ऐसे उपकरण, tokamak, की रूपरेखा बनाई थी। पचहत्तर वर्ष बाद उस रूपरेखा के वंशजों में ITER — प्रोवेन्स में निर्माणाधीन पैंतीस देशों की परियोजना — और 2035 से पहले नेट ऊर्जा लाभ का लक्ष्य रखने वाले कई निजी उद्यम शामिल हैं। दिसंबर 2022 में कैलिफोर्निया के National Ignition Facility ने, चुंबकों के बजाय लेज़रों का उपयोग करते हुए, एक ऐसी संलयन प्रतिक्रिया उत्पन्न की जिसने ईंधन की गोली तक पहुँचाई गई लेज़र पल्स से अधिक ऊर्जा मुक्त की — पृथ्वी पर पहली बार। वह शॉट कुछ अरबवें सेकंड तक चला।

Plasma physics
Plasma physics Unknown · CC0 1.0

जो हम अभी भी नहीं जानते

हम नहीं जानते कि चुंबकीय परिरोध संलयन कभी किफायती होगा या नहीं। भौतिकी काम करती है; अभियांत्रिकी — न्यूट्रॉन-प्रतिरोधी दीवारें, ट्रिटियम-संवर्धन, सेकंडों की बजाय घंटों तक प्लाज़्मा स्थिरता — अभी अनसुलझी है।

A solar observatory image made physical through a brass telescope aimed at projected sunli
A solar observatory image made physical through a brass telescope aimed at projected sunli Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

हम पूरी तरह नहीं समझते कि सूर्य का कोरोना दस लाख केल्विन तक कैसे पहुँचता है जबकि उसके नीचे की सतह 5,800 केल्विन पर है। तरंग ताप और चुंबकीय पुनःसंयोजन प्रमुख दावेदार हैं, परंतु Parker Solar Probe, जो अब कई बार कोरोना से होकर उड़ चुका है, अभी भी ऐसा डेटा भेज रहा है जो इस प्रश्न को पूरी तरह नहीं सुलझाता।

Plasma (physics)
Plasma (physics) U.S. Air Force photo by Edward Aspera Jr. · Public domain

और हम नहीं जानते कि ब्रह्मांड के लापता सामान्य पदार्थ का कितना हिस्सा आकाशगंगाओं के बीच के उष्ण-तप्त अंतरागलकीय प्लाज़्मा में बंद है। वर्तमान के सर्वोत्तम अनुमान अधिकांश अंतर को पाट देते हैं, परंतु माप उस सीमा पर हैं जिसे एक्स-रे दूरबीनें हल कर सकती हैं।

पाठ्यपुस्तक का क्रम — ठोस, द्रव, गैस — ठंडे ग्रहों का एक संकीर्ण नज़रिया है। किसी साफ रात आसमान की ओर देखिए और प्रकाश का लगभग हर बिंदु अपवाद नहीं, नियम है।

Image sources & licenses (8)
  1. Plasma fountain (animation) — Wikimedia Commons, Public domain. Source (commons)
  2. Free plasma physics image — Unknown, CC0 1.0. Source (openverse)
  3. Free plasma physics image — Unknown, CC0 1.0. Source (openverse)
  4. Plasma physics — Unknown, CC0 1.0. Source (openverse)
  5. Plasma (physics) — U.S. Air Force photo by Edward Aspera Jr., Public domain. Source (wikipedia)
  6. Plasma globe — Luc Viatour, CC BY-SA 3.0. Source (commons)
  7. plasma lamp. — Luc Viatour, CC BY-SA 3.0. Source (commons)
  8. Energy arc off of the central electrode in a plasma lamp. — Blaise Frazier aka PiccoloNamek, CC BY-SA 3.0. Source (commons)

Mentioned in this article

Sources

  1. Chen, F. F. (2016). Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion (3rd ed.). Springer.
  2. Langmuir, I. (1928). "Oscillations in ionized gases." Proceedings of the National Academy of Sciences 14 (8), 627–637.
  3. Abu-Shawareb, H. et al. (2024). "Achievement of Target Gain Larger than Unity in an Inertial Fusion Experiment." Physical Review Letters 132, 065102.
  4. Nicholson, D. R. (1983). Introduction to Plasma Theory. John Wiley & Sons.
  5. Bahcall, J. N. & Cen, R. (1996). "On the missing baryons and the warm-hot intergalactic medium." Astrophysical Journal Letters 462, L19.
Production storyboard

The 90-second video script behind this article.

EN script

There's a fourth state of matter. 99% of the visible universe is made of it. You see it every day but probably don't know its name. Plasma. School taught you solid, liquid, gas. They left out the most abundant state in the universe. Here's what plasma is. Heat a gas enough and electrons start escaping from atoms. You're left with a soup of positive ions and free electrons. It conducts electricity. It responds to magnetic fields. It's not a gas anymore—it's plasma. The sun is plasma. Every star is plasma. Lightning is plasma. The inside of fluorescent lights? Plasma. Neon signs? Plasma. Your TV screen? Probably plasma or LED-excited plasma. Fire isn't quite plasma, but the hottest parts come close. Here's why plasma dominates the universe. Space is full of hydrogen. Stars compress and heat this hydrogen until it becomes plasma. Fusion reactions inside this plasma create the energy that powers every star. Our sun converts 600 million tons of hydrogen into helium every second—all in plasma state. We're trying to recreate this on Earth with fusion reactors. If we succeed, we'll have nearly unlimited clean energy. The fourth state of matter that your textbook barely mentioned might save civilization. Solid, liquid, gas—these are exceptions. Plasma is the rule.

HI script

Ek fourth state of matter hai. Visible universe ka 99% isse bana hai. Tum isse har din dekhte ho par shayad tumhe iski naam nahi pata.

Ek fourth state of matter hai. Visible universe ka 99% isse bana hai. Tum isse har din dekhte ho par shayad tumhe iska naam nahi pata. Plasma. School ne tumhe solid, liquid, gas padhaya. Unhone universe mein sabse abundant state chhod di. Yahan hai plasma kya hai. Gas ko itna heat karo ki electrons atoms se escape karne lagein. Tumhare paas positive ions aur free electrons ka soup bach jaata hai. Ye electricity conduct karta hai. Ye magnetic fields ko respond karta hai. Ye ab gas nahi hai—ye plasma hai. Sun plasma hai. Har star plasma hai. Lightning plasma hai. Fluorescent lights ke andar? Plasma. Neon signs? Plasma. Tumhari TV screen? Probably plasma ya LED-excited plasma. Fire bilkul plasma nahi hai, par hottest parts close aate hain. Yahan hai kyun plasma universe dominate karta hai. Space hydrogen se bhara hai. Stars is hydrogen ko compress aur heat karte hain jab tak wo plasma nahi ban jaata. Is plasma ke andar fusion reactions wo energy create karte hain jo har star ko power karti hai. Humara sun har second 600 million tons hydrogen ko helium mein convert karta hai—sab plasma state mein. Hum Earth par fusion reactors ke saath ye recreate karne ki koshish kar rahe hain. Agar hum succeed hue, humare paas nearly unlimited clean energy hogi. Wo fourth state of matter jo tumhari textbook ne barely mention ki wo civilization bacha sakti hai. Solid, liquid, gas—ye exceptions hain. Plasma rule hai.

  1. 01

    A telescope observatory under a clear sky, with the Milky Way blazing overhead and a small plasma globe glowing on a table inside the dome.

  2. 02

    A gas discharge tube in a dark lab as heat and voltage strip electrons from atoms, producing a luminous colored column between metal electrodes.

  3. 03

    A city street in rain with lightning reflected in pavement, a neon tube glowing in a shop window turned away, and a welding arc flashing in a garage.

  4. 04

    A solar observatory image made physical through a brass telescope aimed at projected sunlight on a blank white surface, with boiling orange granulation suggested by heat shimmer and filters.

  5. 05

    A tokamak hall with a circular vacuum vessel, thick magnetic coils, cryogenic pipes, and inspection lights.

  6. 06

    A fusion target chamber like the National Ignition Facility, with laser ports converging on a tiny pellet holder at the center.