Исследования неидеальной плазмы

Часто бытует мнение, что неидеальная плазма — это довольно узкий раздел физики. Но в действительности это не так, и за примерно сто лет со времени первых работ по теории электролитов — можно сказать, колыбели неидеальной плазмы — сферы применения неидеальной плазмы взрывоподобно расширились: от термоядерных реакторов и ядерных ракетных двигателей до криогенных кулоновских систем, от недр звезд и планет до производства бытовых приборов. Поэтому важно донести до общественности — что же прозвучало на Сессии этого года? Мы попросили рассказать об этом заместителя председателя Сессии, ведущего научного сотрудника Объединенного Института высоких температур РАН д.ф.-м.н. И.Л. Иосилевского.

— Игорь Львович, не то, что «неидеальная плазма», а и сам термин «плазма» далеко не всем понятен.

— Плазма — это ионизованный газ, большое число заряженных частиц в состоянии коллективной динамики. Кстати, плазму видел и видит каждый — это, например, северное сияние: верхние слои атмосферы бомбардируются заряженными частицами из околоземного космического пространства. Это и  грозовая молния или даже обычный огонь — все это примеры низкотемпературной плазмы. А низкотемпературную плазму с высокой плотностью, столь сжатую, что влияние кулоновского взаимодействия начинает существенно сказываться на макроскопических свойствах такой плазмы — называют «неидеальной». Она возникает, в частности, при высокоэнергетичных воздействиях на вещество ударных или детонационных волн, пучков электронов и ионов, мощных лазеров. В состоянии неидеальной плазмы, между прочим,  находится порядка 95% материи во Вселенной: это сверхплотное вещество всех звезд и планет-гигантов Солнечной системы, но это и разреженная «пылевая плазма» межзвездного пространства и т.д.

Плазма не только радует нас на небе, но и верой и правдой служит нам на земле: ею можно максимально экологично сжигать городские отходы и очищать воду, и даже лечить раны. На концепции плазмы построена работа мощных взрывомагнитных и МГД-генераторов, плазмотронов и источников мощного оптического и рентгеновского излучения. Одним из важных источников мотивации для исследований свойств неидеальной плазмы послужили в свое время активные разработки перспективного энергоустройства — т. наз. газофазного ядерного реактора, предназначенного, в частности, на роль маршевого ракетного двигателя для пилотируемого полета на Марс и другие планеты. Большинство рабочих сред в этом сверх-экзотическом реакторе с необходимостью находились в состоянии той-самой сильнонеидеальной плазмы. Эти разработки, которыми руководил замечательный ученый — Виталий Михайлович Иевлев, совпали по времени с моими самыми первыми шагами тогда еще студента МФТИ в увлекательном мире неидеальной плазмы и определили на всю жизнь и для меня и для многих моих коллег пристрастие к этой теме.

— И каков же круг обсуждавшихся на Сессии вопросов?

— Множество природных явлений объединено главным общим свойством: дальнодействующее кулоновское взаимодействие приводит к многим специфическим эффектам, подталкивая систему к проявлению разного рода коллективных эффектов. Все это активно исследуется вот уже почти сто лет, и особенно активно в последние десятилетия. Коротко об этом не расскажешь, выделю лишь несколько тем. Физика неидеальной плазмы нужна, например, для изучения процессов, происходящих в недрах практически всех астрофизических объектов. В частности, исследование недр планет-гигантов и так называемых внесолнечных планет (а их сейчас открыто уже почти полторы тысячи) — что это такое и как там все устроено — все это упирается в проблему неидеальной плазмы. Когда же речь заходит о компактных звездах, т.е. нейтронных и кварковых звезд и  т. наз. белых карликах — неидеальная плазма в их изучении также является одним из центральных объектов. В последние десятилетия активно обсуждается т. наз. “пылевая” плазма — мезоскопическая система макро- и микрозарядов со своим кругом специфических проблем — живущая как в земных, так и в космических приложениях. Этой теме на Сессии традиционно посвящается целый блок докладов. Физика фазовых переходов в кулоновских системах — еще одна «вечно зеленая» тема наших обсуждений. Не стала исключением и прошедшая Сессия. Конечно, активно обсуждалась и неидеальная плазма, создаваемая всеми доступными нам сегодня современными методами генерации. Все более многочисленной становится группа докладов посвященных физике процессов, происходящих в веществе, подвергнутом воздействию мощного фемтосекундного лазерного излучения. Относительно новый объект — двухтемпературная неидеальная плазма продуктов разлета такого вещества — становится у нас на Сессии постоянным объектом обсуждения.

— Намечаются ли какие-либо тенденции в исследованиях?

— Тенденцией последнего времени является появление мощных источников воздействия на конденсированное вещество. Это резко увеличило наши возможности генерации различных реализаций неидеальной плазмы экстремальных параметров и получения богатого набора явлений. Такими в частности являются мощные фемтосекундные лазеры и пучки тяжелых ионов, которыми мы сегодня можем поверхностно и объемно нагревать конденсированное вещество и изучать различные плазменные эффекты. Это — специфическая физика, не говоря уже о мощных взрывах, традиционно используемых для генерации неидеальной плазмы. Наши коллеги из Сарова рассказали на Сессии, как они сумели во взрывном генераторе сжать вещество в несколько сотен раз и дожать его до 30-50 мегабар и десятков тысяч градусов Кельвина. Это фактически астрофизическая плазма, но созданная в земных лабораторных условиях.

Другая мощная общемировая тенденция, конечно отразившаяся на Сессии: это быстрый прогресс вычислительной техники, позволяющий проводить все более сложное и все более изощренное т. наз. «прямое» численное моделирование сложных физических процессов в неидеальной плазме (метод квантовой молекулярной динамики и квантового Монте-Карло и др.) Все это даже вызвало к жизни своеобразный термин «численный эксперимент». На мой взгляд отечественные работы в этой области находятся на очень хорошем уровне, и это еще раз проявилось на Сессии. Мы получили возможность рассматривать объекты, которые сорок лет назад мы могли только обсуждать только как «качественную картину».

Тематика сообщений на Сессии достаточно широка. В этом году, как и в прошлые годы, был целый блок сообщений о процессах  в экзотических неидеальных системах — в сверхплотной ядерной материи и в кварк-глюонной плазме, включая т. наз. кварк-адронный фазовый переход. На другом краю спектра обсуждение свойств ультрахолодной плазмы и т. наз. ридберговской материи. У нас на каждой Сессии желающих рассказать об этом становится все больше.

Один из важных источников мотивации физики неидеальной плазмы сегодня — это развитие высокоэнергетичных экспериментальных устройств, суперколлайдеров. У всех на слуху коллайдер в ЦЕРНе, есть уже действующий коллайдер RHIC в Брукхейвене, строятся мощные ускорители в Дармштадте и у нас в ОИЯИ в Дубне. Объявлены планы создания ускорителей в Китае и Японии. Это не только веяние времени, но и новый круг проблем, перекликающихся с традиционными проблемами неидеальных кулоновских систем.

Словом, прошедшая Сессия еще раз подтвердила тенденцию всех последних лет — бурный прогресс вычислительной техники и тесно связанное с этим нарастание возможностей сложных и сверхсложных расчетов. А с другой — и явный прогресс в новых возможностях генерации неидеальной плазмы. Я думаю, что общее впечатление всех участников Сессии — вдохновляющее.

— Почему ваше мероприятие называется не «конференция», а «научно-координационное совещание»?

— По нашей тематике есть две специальные международные конференции: одна называется «Физика неидеальной плазмы», а вторая — «Strongly Coupled Columb Systems», т.е. «Сильно неидеальные кулоновские системы». Они идут попеременно через три года. Российские физики в них непременно активно участвуют. Есть и еще ряд международных конференций, существенно перекрывающие тематику неидеальной плазмы. И в нашей стране также есть несколько конференций по данной тематике — все вместе они составляют как бы своеобразный конвейер. Но это именно конференции с их Орг- и Программными комитетами, Секретариатами, взносами, проблемами размещения и питания гостей и т.д. Наша же Сессия потому и называется научно-координационной, что мы стараемся ее поддерживать как предельно неформальную деловую координационную встречу, напряженную и, надо сказать, крайне тяжелую для участников — за два дня в режиме non-stop прослушивается почти 50 коротких сообщений строго по 15 минут на каждый с перерывом только на обед и практически без кофе-брейков. Каждый из докладчиков коротко рассказывает — куда он продвинулся за прошедший год и куда он собирается двигаться дальше. В конце Сессии обязательно два часа «Хроники». Участники рассказывают: кто на какой конференции по нашей тематике был, что важного услышал, что намечается в следующем году и какие тенденции в физике неидеальной плазмы заслуживают всеобщего внимания. Конечно же, и наш Председатель, В.Е. Фортов рассказывает коллегам по цеху, что важного происходит в мире, на его взгляд, и особенно, что происходит, и чего ждать в сегодняшнем таком болезненном процессе реформирования академической науки. Такой уже многолетний формат Сессии, несмотря на ее плотный график, тем не менее, дает возможность пообщаться, узнать новое и завязать контакты.

Наша Сессия имеет свою страницу в интернете — тут мы помещаем в качестве архивов материалы всех презентаций, мы настаиваем, чтобы они обязательно были выложены для свободного доступа, так чтобы каждый, запомнив во время заседаний что-то для него важное, смог потом не торопясь детально изучить на сайте материал заинтересовавшего его доклада. Можно также посмотреть и материалы Сессий прошлых лет. Мы приглашаем посетить этот сайт всех, кому это интересно.

— А кто же участники Сессии?

— Основное ядро участников у нас сложилось довольно давно: это Институт Высоких Температур РАН, Институты Проблем Химической Физики и Теоретической Физики РАН из Черноголовки, это конечно ВУЗы — МФТИ, МЭИ и МГУ. Это наши коллеги из ядерных центров Сарова и Снежинска, из институтов Троицка и др. Традиционно к нам приезжают коллеги из Германии — там еще со времен ГДР неидеальная плазма активно изучается. Как правило к нам приезжают коллеги участники из Украины, но в этом году из-за напряженной обстановки приехать на Сессию, к сожалению, у них не получилось. Также традиционно в работе Сессии участвуют наши коллеги из Казахстана, где, кстати, в следующем году будет проходить Международная Конференция по физике неидеальной плазмы (PNP-2015). Предполагалось участие коллег из Китая — увы, в этом году у них приезд сорвался из-за технических оргпроблем, но в следующие годы мы ожидаем их все более и более активное участие.

Наша Сессия ежегодная и как курьерский поезд проводится каждый год в одно и то же время — в начале декабря — уже скоро полвека, с 1968 года! Организаторами самой первой Сессии были наши учителя, члены-корреспонденты РАН В.М. Иевлев и Л.М. Биберман. Вот уже более 20 последних лет бессменным председателем Сессии является президент РАН, академик Владимир Евгеньевич Фортов, специализирующийся, как известно, на физике взрыва и мощных ударных волн, на физике плотной плазмы и  экстремального состояния вещества с высокой концентрацией энергии, автор целой серии книг, посвященных экстремальным состояниям вещества в земных и космических приложениях. 

Подводя итог, я выражу свое мнение, что прошедшая Сессия была хоть и напряженной, но очень плодотворной и, на мой взгляд, среди прочего показала, что исследования неидеальной плазмы в нашей стране находятся на вполне достойном уровне.

Беседовал Сергей Шаракшанэ

Фото превью