Действительно, звезды, в том числе Солнце, представляют собой гигантские сгустки горячей и плотной плазмы. Межзвездные и межгалактические просторы заполнены плазмой ничтожной плотности. Говоря об универсальной распространенности плазмы, мы не случайно обращаемся к звездам и космическому пространству, а не к событиям на поверхности Земли. Плазма в природных условиях образуется и существует только в экстремальных ситуациях. Разумеется, слово "экстремальный" означает исключительность давлений, температур, потоков излучений и электромагнитных полей, господствующих в звездах и космосе, по сравнению с теми, которые нас окружают под крышей плотной атмосферы, в пределах того узкого температурного интервала, который необходим для жизни. Появление плазмы в земных условиях - сравнительно редкое событие: вспышки молнии во время грозы или слабое свечение на металлических остриях при тихих коронных разрядах, вероятно, исчерпывают список естественных плазменных феноменов в нашем окружении. Зато техническая цивилизация наших дней в изобилии поставляет нам плазменные устройства и инструменты. Разноцветные огни газосветных реклам и набор газоразрядных приборов (ртутных выпрямителей, тиратронов, МГД-преобразователей и т.д.) - все это порождение технической электроники и тех исследований в области физики газового разряда, которые неуклонно развивались на протяжении десятилетий.

Итак, в поисках природных плазменных явлений надо покинуть поверхность Земли, и мы будем быстро вознаграждены. Уже верхние слои земной атмосферы под действием коротковолнового излучения Солнца превращаются в плазму, образуя ионосферу. Одно из наиболее удивительных и прекрасных природных явлений - полярное сияние - представляет собой плазменное свечение, происходящее на высотах в несколько сотен километров над поверхностью Земли. Оно вызывается потоками быстрых заряженных частиц или плазмы, возникших во время вспышек солнечного излучения и сфокусированных в области высоких широт магнитным полем Земли. Еще выше, на расстояниях в несколько тысяч километров, размещаются радиационные пояса Земли, о существовании которых мы узнали так недавно. В окрестностях Солнца космос заполнен не только редкой плазмой (в среднем по одному протону и электрону на каждый кубический сантиметр вакуума), но и пронизывается излучением, содержит магнитные поля, структура которых меняется со временем и возмущается "солнечным ветром". За пределами Солнечной системы потоки излучений и частиц ослабевают, но сложность плазменных структур и их связь с магнитными полями сохраняется.

Настоящие космические просторы начинаются, однако, много дальше. По мере приближения к границам нашей Галактики и при переходе затем в межгалактические области плотность плазмы, продолжавшая убывать, достигает значений, не превышающих одной заряженной частицы на кубический метр. Принимая, что температура космической плазмы (для этого имеются веские основания) составляет величину порядка 10 6 К легко убедиться, что длина Дебая оказывается равной примерно 100 км , а число частиц в сфере Дебая масштаба 10 21 . Таким образом, в этих условиях мы имеем дело с классической идеальной плазмой.

Избрав другое направление полета и приближаясь из далекого космоса к поверхности Солнца (или другой звезды главной последовательности), мы будем постепенно проникать через все более и более плотные плазменные структуры: корона, хромосфера, наружные оболочки, наконец, внутренние области звезды. Нарастание плотности и увеличение магнитных полей, а во внутренних областях и быстрое возрастание температуры будут сопровождать это путешествие. В центральных зонах плотности достигают 10 2 г/см 3 , т.е. 10 26 протонов/см 3 , а температуры - десятков миллионов градусов. В таких плазмах интенсивно протекают те ядерные (термоядерные, конечно!) реакции, которые определяют ход звездной эволюции, а заодно обеспечивают климатические условия, существующие на нашей планете и сделавшие возможным возникновение жизни.

Переходя от звезд главной последовательности к белым карликам, возникающим на поздних стадиях эволюции, когда легкое ядерное горючее в недрах звезды исчерпано и силам гравитационного сжатия не противодействует достаточно интенсивное кинетическое давление горячего газа, мы сталкиваемся с плотностями плазмы еще на четыре порядка более высокими и оказываемся в условиях вырожденной квантовой идеальной плазмы.

На этом, однако, звездные судьбы не заканчиваются. Если масса звезды предшественника, а следовательно, и масса белого карлика превышает определенную величину (свыше, примерно, двух солнечных масс), возникшая система будет неустойчива, -энергия Ферми электронного газа принимает релятивистское значение, его давление, как можно вполне строго доказать, падает, и происходит одно из наиболее замечательных событий в звездной истории - вспышка сверхновой. В результате гравитационного коллапса плотность растет еще на восемь порядков, протоны объединяются с электронами в нейтроны - возникает нейтронная звезда, или пульсар. Это "благополучный" вариант звездной судьбы. При чрезмерно большой начальной массе белого карлика и если вспышка сверхновой не сопровождалась сбросом излишков этой массы, даже давление Ферми газа нейтронов не сможет противостоять гравитационному давлению, и образуется черная дыра.

Этот объект лежит уже столь далеко от нашей темы, что мы его оставим без обсуждения, тем более, что он давно уже превратился в излюбленный сюжет не только популярных научных статей, но и научной фантастики.

Вернемся к вопросу о вспышках сверхновых. В нашей Галактике - это редкое событие, в среднем оно происходит один раз в несколько столетий. Поэтому в настоящее время ведутся систематические наблюдения и над соседними галактиками. Нам повезло: 5 марта 1987 г . была зарегистрирована вспышка очередной сверхновой, буквально у нашего порога, точнее - порога нашей Галактики - в Большом Магеллановом облаке, на расстоянии "всего лишь" 160000 световых лет. Эта сверхновая была обнаружена сначала по излучению нейтрино, которые возникают при ядерных реакциях синтеза нейтрона из протона и электрона:

Электромагнитное излучение в видимом диапазоне наблюдалось через три часа после регистрации нейтрино - только к этому времени гравитационного коллапса сияние взрыва сформировалось в виде новой звезды. Яркость свечения росла, и через три месяца светимость новой звезды достигла третьей звездной величины, а затем начала постепенно тускнеть. Будет ли на небесной карте в соответствующем месте обнаружен пульсар, или черная дыра, мы узнаем на протяжении ближайших лет.

Несравненно более эффектное зрелище наблюдали китайские и арабские астрономы около девяти столетий назад: 4 июля 1054 г . в созвездии Тельца появилась новая исключительно яркая звезда. Погруженная в глубокий сон раннего средневековья, Европа пропустила это событие. Прошел год, светимость звезды постепенно убывала, а затем она стала невидимой для невооруженного глаза. Но теперь, через девять веков, тщательные наблюдения в мощные телескопы за той же областью звездного неба, о которой идет речь в хрониках древних астрономов, позволили обнаружить в центре Крабовидной туманности в созвездии Тельца слабо светящуюся звезду с пульсирующим радиоизлучением - пульсар! Сама туманность - светящаяся плазма - напоминает расширяющееся облако, возникшее в результате гигантского космического взрыва. Это не пустые слова: сравнивая современные и более старые снимки туманности, легко определить, что она расширяется со скоростью ~ 0,18 угловой секунды в год. Сопоставляя эту скорость с современными размерами туманности (~ 160 угловых секунд), мы приходим к очевидному выводу, что расширение началось около 900 лет назад, в полном соответствии с историей открытия. Рождение этой сверхновой произошло в нашей Галактике, на расстоянии около 4000 световых лет, чем и объясняется огромная яркость звезды 1054 года.

Изучение свойств плазмы и плазменных структур в космосе необходимо не только для познания окружающего нас мира в его настоящей форме, но и для понимания последовательных этапов развития Вселенной. Если равновесное реликтовое излучение космоса - свидетель ранних стадий эволюции Вселенной, то космическая водородная плазма - это тот материал, из которого происходило формирование галактик. Плазма красных гигантов, белых карликов, пульсаров рассказывает нам о грядущих судьбах звезд главной Последовательности, в частности нашего Солнца. Отсюда глубокая связь физики плазмы с астрофизикой и в том числе с самыми принципиальными ее разделами, посвященными космологическим проблемам.

Приведенных примеров, вероятно, достаточно для характеристики того значения, которое плазма имеет в природе. Одновременно получен и ответ на вопрос о распространенности плазмы в естественных условиях.

Разумеется, следовало бы также остановиться на описании самых ранних моментов развития Вселенной в стандартной модели "большого взрыва". Но этот исключительно интересный и богатый по содержанию материал, хотя и доставил бы нам прямые доказательства того, что в "начале всего" была плазма, увел бы нас далеко в глубины астрофизики.

Теперь надо обратиться к разъяснению вопроса о связи физики плазмы с проблемой управляемого синтеза ведь именно этому посвящена значительная часть книги, но некоторые вступительные замечания необходимы, так как физика горячей плазмы сравнительно молодая дисциплина, насчитывающая каких-нибудь 40 лет своего существования. Больше того, и сейчас объект исследования - достаточно горячая и плотная плазма - получается в лабораторных условиях только на короткие промежутки времени, причем, говоря откровенно, эта плазма еще не обладает одновременно всеми желаемыми свойствами. Курьезная и необычная ситуация!

Изучая физику твердого тела, атомную или ядерную физику, не приходится задумываться над получением объекта исследования. Кристаллы различной структуры и с различными электрическими, механическими и оптическими свойствами существуют в: природе или могут быть приготовлены без чрезмерных усилий. Наборы различных атомных ядер также присутствуют в окружающем нас мире, и только исследователю трансурановых элементов приходится заниматься приготовлением изучаемого вещества. Но и здесь существует устоявшаяся методика. Хотя открытие, т.е. синтез каждого следующего элемента, требует возрастающих усилий, преемственность облегчает поиск. В физике горячей плазмы положение существенно иное. Получение устойчивой, длительно живущей горячей плазмы является конечной целью проводимых исследований. Если бы мы умели создавать такую плазму по заказу, то изучение ее свойств не отняло бы много времени, физика плазмы быстро приобрела бы отпечаток законченности и, вероятно, стала бы намного скучнее...

Другая характерная особенность данной области знания состоит в том, что здесь не приходится рассчитывать на открытие новых общих законов природы - возникшая на наших глазах наука в сущности относится к прикладной физике. Она основывается на применении к плазме, т.е. к совокупности заряженных частиц, идей, представлений, методов классической электродинамики (прежде всего!), а также статистики и атомной физики. Лишенная глубины и величия физики элементарных частиц или астрофизики, прикладная физика горячей плазмы привлекательна тем, что в ней ставится одна из труднейших когда-либо сформулированных технических задач: получение, сохранение и использование в лаборатории звездного вещества, нагретого до сотен миллионов градусов.

Получение этого вещества, в свою очередь, необходимо для решения проблемы управляемого синтеза легких ядер. Именно управляемого, а не происходящего в виде чудовищного по мощности взрыва водородной бомбы. Мы подходим теперь к самому существу вопроса, так как именно проблема управляемого синтеза привела к созданию и развитию физики горячей плазмы. Но почему так важна проблема управляемого синтеза?

Почему, несмотря на отсутствие решающего успеха, вот уже четвертое десятилетие ей продолжает уделяться столь большое внимание во всех передовых в промышленном отношении странах мира?

В первом приближении ответ удивительно прост: решив эту задачу, человечество получит неограниченный по мощности дешевый источник энергии, равно доступный для всех наций. Неожиданная простота ответа в сочетании с некоторой долей пафоса (тут и судьба человечества и беспредельные возможности!) могут вызвать скепсис, да и актуальность исследований, проводимых в огромных масштабах, кажется сомнительной. Ведь еще далеко не исчерпаны запасы угля и нефти, еще не израсходованы ресурсы гидроэнергии, почти не используется солнечная энергия, мы только приступили к широкой эксплуатации запасов ядерного горючего - урановых и ториевых руд.

С позиций настоящего момента истории все это, конечно, верно - в рамках статического неизменного мира. Но мы живем в условиях динамического, стремительно меняющегося мира. Чтобы завтра человечество не оказалось под угрозой энергетического голода, основы энергетики будущего должны закладываться уже сегодня.

Здесь не должно оставаться тени сомнений или двусмысленности и мы рискнем на развернутое разъяснение.