Вверх по шкале температур

Вернемся к идеальному газу. Шарики, но сталкивающиеся между собой, оказались хорошей моделью для описания многих свойств газа, который находится в тепловом равновесии. Эту модель и использовали физики прошлого века. Но тогда еще не знали, что атомы не шарики, а что это сложные системы, состоящие из многих частиц. Поэтому вполне уместно задать вопрос: до каких пор мы можем не думать о том, что в атомах есть электроны и ядра, а считать их просто материальными точками, имеющими только три степени свободы? Ответ связан с квантовой механикой. В атоме электроны движутся несвободно, и нельзя, слегка толкнув их, добавить им энергию подобно тому, как атом изменяет свою энергию, сталкиваясь с другим атомом или со стенкой. Чтобы электроны в атоме изменили свое движение или, как принято говорить, изменили свое состояние, надо передать им не сколь угодно малую порцию энергии, а конечную, отвечающую энергии возбуждения атома. Атом (подобно тому, как это было у спинов в магнитном поле) может находиться лишь в состояниях с определенной энергией. В обычных атомах энергия возбуждения составляет десятые доли электрон-вольта: меньшей энергии атом просто не может воспринять. Одна десятая электрон- вольта - это примерно 1000 К. При температурах такого порядка многие тела начинают светиться, подтверждая этим факты возбуждения электронов.

При температурах, несколько больших (10000 К и выше), электроны при столкновениях атомов могут отрываться от атомных оболочек и вместе с ионами вступать в состав газа. Идеальный газ при этом "кончается", и в сосуде оказывается смесь электронов и ионов, свойства которой будут весьма далеки от свойств газа, к которым мы привыкли при обычных температурах. Смесь ионов и электронов (к которой, конечно, примешиваются и нейтральные атомы) называют плазмой. Плазма была раньше довольно редким объектом исследования: с ней имели дело в газовом разряде и об ее свойствах мало кто знал. Сейчас плазму называют четвертым состоянием вещества, с ней имеют дело те, кто занимается ускорителями, астрофизики, и особенно ученые, занимающиеся проблемой освоения термоядерной энергии.

Термоядерная плазма очень горячая, в нее входят нейтроны, выбитые из легких ядер,- энергия нейтронов составляет тысячи электрон-вольт - десятки миллионов градусов. Конечно, градусы здесь условные - полного теплового равновесия в такой плазме нет, и речь обычно идет о характеристике средней энергии.

Термояд -не наша тема^*, и мы лишь обратим внимание, как в плазме с ростом температуры (т. е. энергии) в игру вступают все новые степени свободы - чем выше температура, тем больше частиц участвует в тепловом равновесии. С уменьшением температуры нейтроны "возвращаются" обратно в ядра, электроны "садятся" на свои орбиты; степени свободы вымерзают совсем так, как говорил Нернст, который, конечно, не мог и предполагать, каким окажется механизм "замерзания степеней свободы". При еще больших температурах электроны и позитроны рождаются из вакуума при столкновениях - это температура масштаба 10⁹ - 10¹⁰К. При температурах 10¹³ К рождаются нуклоны. Такие процессы бурно развивались на ранних этапах развития Вселенной.

^* (Подробно о проблеме освоения термоядерной энергии можно узнать из книги: Воронов Г. С. Штурм термоядерной крепости,- М.: Наука, 1985- (Библиотечка "Квант", вып. 37.))

Температуры, о которых мы сейчас говорим, измерять прямо невозможно. Нет термометра, который бы можно было "засунуть" в плазму.

Температуру оценивают по излучению, по энергии частиц, вычисляют... Но десятки миллионов градусов в лаборатории сейчас становятся реальностью.

Можно, конечно, спросить: а в чем хранить нагретый до миллионов градусов газ? Вот это делать научились: газ "подвешивается" в вакууме сложной системой магнитных полей (их называют "бутылками", "пробками" и другими странными словами).

В заключение зададим вопрос: о какой самой большой температуре имеет смысл говорить (конечно, не измерять)? Такая температура есть в списке планковских единиц. Это температура. T_п=4*10³¹ К или 4*10²⁷ эВ= =4*10¹⁸ ГэВ.

Плазма с такой температурой, как сейчас думают, существовала в самом начале развития Вселенной. Охлаждение такой сверхрелятивистской плазмы, сопровождающееся фазовыми переходами, вело к современной Вселенной. Здесь начинается область науки и фантазии, в которую мы сейчас входить не будем^*.

^* (Об этом увлекательно рассказано в книге: Вайнберг С. Первые три минуты.- М.: Энергия, 1980.)