پلاسما، حالت چهارم ماده: شگفت‌انگیز و سرشار از پتانسیل

در مدارس ابتدایی آموزش می‌دهند ماده در سه حالت موجود است: جامد، مایع و گاز؛ اما آن‌ها حالت پلاسما (یک نوع خاص از گاز برقی) را فراموش کرده‌اند. پلاسمای طبیعی به‌ندرت پیدا می‌شود، اما از طریق شفق‌های شمالی یا مشاهده‌ی نور خورشید از طریق یک فیلتر ویژه یا بیرون بردن سر از پنجره در طول طوفان نوری می‌توان آن را مشاهده کرد. پلاسما با وجود ماهیت کمیابی که در زندگی روزمره دارد، بیش از ۹۹ درصد از ماده‌ی مرئی موجود در جهان را تشکیل می‌دهند (اگر ماده‌ی تاریک را فاکتور بگیریم).

فیزیک پلاسما غنی است و به‌دلیل خاصیت‌های ویژه و منحصربه‌فرد حوزه‌ی وسیعی از پژوهش‌ها را به خود اختصاص داده است. در بعضی حوزه‌های علمی، انرژی ذهنی از زیبایی نظریه‌های زمینه‌ای و جست‌وجوی قوانین اساسی و عمیق سرچشمه می‌گیرد، برای مثال می‌توان به نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین یا تلاش نظریه‌پرداز‌های رشته‌ای برای جایگزینی مدل استاندارد ذرات زیراتمی با مجراهای متناوب انرژی اشاره کرد. در بررسی پلاسما هم از ساختارهای ریاضی برجسته استفاده می‌شود؛ اما این بررسی برخلاف دیگر بررسی‌های مشابه بر اساس کاربردهای موجود در جهان واقعی انجام می‌شود.

پلاسما چگونه به‌وجود می‌آید؟

فرض کنید بخواهید یک ظرف پر از یخ را گرم کنید و روند ذوب آن از حالت جامد به مایع و گاز را مشاهده کنید. با افزایش دما، انرژی و تحرک مولکول‌های آب افزایش پیدا می‌کند و به‌صورت آزادانه در اطراف حرکت می‌کنند. اگر در دمایی مثل ۱۲ هزار درجه‌ی سانتی‌گراد به کار خود ادامه دهید، اتم‌ها شروع به تجزیه می‌کنند. الکترون‌ها از هسته‌ی خود جدا می‌شوند و ذرات بارداری موسوم به یون را از خود باقی می‌گذارند که در گروهی از الکترون‌ها می‌چرخند. این شرایط دقیقا وضعیت پلاسما را نشان می‌دهد. ارتباط بین پلاسمای فیزیکی و پلاسمای خونی بیشتر از یک تصادف است. در سال ۱۹۲۷، شیمی‌دان آمریکایی ایروینگ لانگمویر مشاهده کرد که روش حمل الکترون‌ها، یون‌ها و مولکول‌ها در پلاسما و دیگر ناخالصی‌ها مشابه روش عبور پلاسمای خون حول گلبول‌ها سفید و سلول‌های نطفه است.

لانگمویر یکی از پیشتازان بررسی پلاسماها بوده است؛ او با همکار خود لوی تانکز به این نتیجه رسید که پلاسما بر اساس نوسان‌ سریع الکترون‌ها به‌دلیل رفتار جمعی ذرات قابل شناسایی است. یکی از دیگر ویژگی‌های جذاب پلاسما ظرفیت آن برای پشتیبانی از موج‌های هیدرومغناطیسی است (برآمدگی‌هایی که در امتداد خطوط میدان مغناطیسی در پلاسما حرکت می‌کنند و حرکت آن‌ها مشابه نوسان‌های سیم گیتار است).