固体、液体、気体に続き、"物質の第4状態"というプラズマとは?

水を冷やせば氷になって、溶かせば、水となって、そのまま加熱すれば水蒸気になるということは誰もが知っている。そしてもっと高い温度まで加熱を続けると、水分子は陽イオンと電子が分離されたプラズマ状態に変わる。


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普段あまり目で見られないプラズマだが、事実"宇宙で最もありふれた物質"として、宇宙物質の99%はプラズマ状態にあるとも知られている。

 

 

普段目で見られないが、最も一般的なプラズマは、稲妻と言える。 稲妻は、地上と上空の電位差が大きくなり、本来は電気が通じない空気層の絶縁が壊れることでたまった電気が一気に流れる現象で、その通路となった空気の部分は数億もの超高温状態だ。

 

落雷式に見える"稲妻"は、この超高温や高電圧によりイオン化された空気がプラズマ状態になって発光している状態だ。

 

また、韓国ではほとんど見られない、緯度が高い所でしばしば発生している"オーロラ"もプラズマの一つ。 オーロラは太陽から噴出され、地球へ飛んできた太陽風から供給された電子線が地磁気によって下降、電子線によってここになった大気中の酸素と窒素が発光する現象だ。

 

プラズマを発生させるためには、物質を非常に高い温度にしたことで、分子の活動を非常に活発にしなければならない。 熱力学的観点から物質の"温度"とは、物質の源となる原子と分子の運動エネルギー(振動)の数を指す。


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分子の振動が止まる絶対零度で数百万回、時には数億度まで物質の温度が高まって、これによって原子と分子の振動は高くなる。 プラズマはこの高い運動エネルギーによって分子がイオン化して生ずる現象だ。

 

 

今、世界各国で多額の予算をかけてプラズマ研究が行われている。 その原動力となっているのは、人間の手による"制御熱溶融"の実現という目標だ。

 

2つの原子核が融合する時に発生する莫大なエネルギーを利用する核融合発電は原子力発電と放射性廃棄物をほとんど排出しない"きれいな"エネルギーウォンになって未来のエネルギー元で注目されている。

 

しかし、核融合を地上で実現するためにはプラズマを摂氏1億も以上の高温状態に維持しなければならない。 これは実に太陽の中心より10倍も熱い世界だが、実はこの目標は1990年代に達成された。 真の課題、それは高温のプラズマは非常に不安定ということにある。

 

1950年代にはソ連と英国、そして米国で秘密裏に研究が進められていたのだ。米プリンストン大学が研究の中心となって、物理学者だったライマン・スピッツァー博士がプロジェクトマッターホルンを開始した。

 

このプロジェクトは"ステられた方式"という、絡まったコイルを旋回させて"閉じ込められた磁場"を作って、核融合が起こる環境を作って出すという方法の研究が行なわれた。 結局、プロジェクトが核融合を成功できなかったが、プラズマを安定的に発生させるノウハウを得られた。


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一方、ソ連の科学者たちは"トカマク型"と呼ばれる他の装置を開発した。 物理学者だったアンドレイ・サハロフ博士とイロルトム博士によって考案されたこの装置は、ステられた方式よりプラズマを高い温度で安定した状態に維持することができた。 その後、核融合研究では、このトカマク型装置が主に利用されており、2015年には中国、欧州連合、インド、韓国、日本、ロシア、米国のコンソーシアムが合流して世界最大のトカマク型原子家建設されるようになっている。




核融合分野で必須的なプラズマだが、地球をめぐった空間での物理学も密接に絡み合っている。 地球は宇宙から来る有害な"宇宙船"がいつも打ち出されているが、これは大田(テジョン)なったプラズマ粒子だ。 地球が持つ磁場はプラズマ粒子を覆す役割を担当しており、生命が生きられる環境を作り出している。

 

また、"宇宙天気"という新しい分野では、プラズマ物理学は地球の天気の流体力学の役割と同じような役割をしている。 研究が行われているこの分野は、まだ明らかになっていない部分もたくさんあるけど、"太陽フレア"など地球環境に大きな影響を及ぼす宇宙規模の事件を解明して、高エネルギー粒子が降る"太陽暴風"を予測することを許容するとも考えられる。

 

コロンビアColumbia Astrophysics Laboratoryの博士だったLuca Comisso氏は、"プラズマ物理学は星と銀河、銀河団が初めてにどのように形成されたかについた洞察力を提供するものと期待しています。 標準的な宇宙論モデルによると、初期宇宙は高温のプラズマが広がっていました。 その後冷たくなって電子と陽子が結合して電気的に中性水素原子が作られました。

 

この状態は最初の星とブラックホールが形成されるまで継続され、その後、宇宙船は"再イオン化"して、多くがプラズマ状態に戻った"と言っている、プラズマが宇宙の神秘を解くのに役立つものと考えている。


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