Является ли плазма во Вселенной живым существом?

В XIX веке была открыта плазма, которую описывают как четвёртое агрегатное состояние во Вселенной наряду с тремя известными нам состояниями: твёрдое, жидкое и газообразное. Плазма является одним из самых интересных открытий современности.

Не потому, что сегодня нам нравится смотреть телевизоры с современными плазменными экранами или флуоресцентные лампы, освещающие наши офисы и дома, а потому, что с годами выясняется, что плазма имеет удивительные особенности.

Плазменное состояние не является пограничным или редким агрегатным состоянием. Исследователи утверждают, что 99% материи во Вселенной находится в этом состоянии, хотя на Земле можно найти лишь небольшое её количество. Это состояние плазмы существует в основном в космосе — Солнце находится в состоянии плазмы, звёзды находятся в состоянии плазмы и туманности (межзвёздное облако, состоящее из пыли и газа). На Земле состояние плазмы проявляется, например, в молниях, в горячем пламени, в северном сиянии и в верхних слоях атмосферы.

Плазма создаётся, например, при нагревании материала до чрезвычайно высоких температур. В трёх известных агрегатных состояниях электроны несвободны, а вращаются вокруг ядер атомов таким образом, что атомы уравновешиваются, то есть лишаются электрического заряда. Баланс создаётся в результате положительного электрического заряда атомных ядер против отрицательного заряда электронов.

Но когда температура повышается и материал достигает состояния плазмы, электроны начинают отделяться от атомных ядер. В результате атомные ядра остаются с положительным электрическим зарядом, а оторвавшиеся электроны остаются с отрицательным зарядом. Следовательно, плазма является отличным проводником электричества.

В 1940-х годах, когда в Европе разразилась война, и страны искали способ положить ей конец, возникла идея разработки атомной бомбы. Соединённые Штаты в партнёрстве с Великобританией и Канадой учредили «Манхэттенский проект» по разработке и производству первых атомных бомб. Одной из многих задач этого проекта было найти эффективный способ обогащения урана, процесс, в котором атомы урана определённого типа (изотоп, известный как «уран 235») разделяют, чтобы увеличить их концентрацию.

Каким образом предполагалось разделение атома? В 1943 году группе американских и британских исследователей из «Радиационной лаборатории» Университета Беркли в Калифорнии пришла в голову идея сделать это, изменив состояние накопления урана, то есть, превратив его в плазму, а затем воздействовать на эту плазму магнитным полем.

Процесс создания плазмы превратил атомы урана в положительные ионы (атомы с положительным электрическим зарядом). Магнитное поле должно было заставить все эти ионы типа 235 двигаться по одинаковому пути, что позволило бы им захватить блок урана, который в конце процесса станет «блоком „обогащённого урана“».

При повышении температуры переход из твёрдого состояния в плазменное: твёрдый — жидкий — газ — плазма.

Но ионы на самом деле не хотели сотрудничать. Несмотря на попытки исследователей поймать их, они рассеивались.

Для выяснения причин удивительного поведения плазмы был привлечён Дэвид Бом, в те времена докторант Беркли, впоследствии ставший одним из величайших физиков второй половины XX века. Бома всё больше и больше интересовало уникальное поведение этих ионов в плазменном состоянии.

Но только после войны, в 1949 году, когда Манхэттенский проект был рассекречен, профессор Бом, работавший в то время в Принстонском университете, смог сообщить в академической статье о проведённых им обширных исследованиях плазмы.

Бом объяснил в статье, что плазма служит посредником, который обеспечивает координацию между различными ионами, так что они двигаются и ведут себя скоординировано.

«В результате электрических взаимодействий между зарядами плазма проявляет упорядоченную форму поведения, которую правильнее описывать как поведение чего-то целого, а не отдельных частиц».

В интервью Американскому институту физики (The American Institute of Physics) Бом даже позволил себе использовать более живописную формулировку для описания плазмы — «она выглядит почти как живое существо».

«Когда Дэвид Бом исследовал плазму в рамках своей докторской диссертации, он обнаружил, что её частицы связаны друг с другом. Что существуют положительные и отрицательные заряды, которые взаимодействуют друг с другом так, будто они одна сущность», — объясняет доктор Массимо Теодорани в интервью.

Массимо Теодорани — итальянский астрофизик, эксперт в области спектрометрии (метода оценки дисперсии света между различными длинами волн). На протяжении многих лет изучал атмосферные явления, связанные с плазмой, участвует в проекте SETI по обнаружению жизни на далёких планетах.

«В большой плазме, как и в случае с туманностями длиной в несколько световых лет, если освещать её края ультрафиолетовым излучением, все остальные её частицы это чувствуют».

«Триффидная туманность» характеризуется плазменными структурами. Дэвид (Дедди) Даяг/CC BY-SA 4.0

В чём же смысл плазмы, которая ведёт себя как единое целое, в котором все частицы чувствуют, что в ней происходит? Есть ли у плазмы определённые особенности? И что именно имел в виду Бом, когда говорил о живом существе?

Живые кристаллы подобные ДНК

Как уже упоминалось, на Земле мы не сможем найти много такой плазмы. В естественной среде, вблизи поверхности земли, даже если электроны отделяются от ядер атомов и образуется плазма, они быстро возвращаются друг к другу и атомы возвращаются в электрически сбалансированное газовое состояние.

Но выше в атмосфере, например, на высотах 200 или 300 км, в слоях, где плотность вещества относительно невелика, и они более подвержены, чем на поверхности земли, воздействию плазмы, исходящей от «солнечного ветра», положительным электронам и ионам труднее встретиться и снова объединиться в свою уравновешенную форму, что состояние плазмы там более стабильное.

Солнце настолько горячее, что представляет собой огромный шар плазмы. (shutterstock)

За прошедшие годы исследователи обнаружили, что интересные явления происходят в плазме, когда она вступает в контакт с мелкими частицами, например, с попадающими в неё мельчайшими пылинками. Электроны, которые в норме имеют тенденцию свободно перемещаться по плазме, начинают приближаться к пылинкам и прилипать к ним, тем самым также заряжая пылинки отрицательным электрическим зарядом.

То есть к одной пылинке длиной в несколько миллионных долей метра (микрона) могут присоединяться десятки тысяч электронов.

Когда несколько таких пылинок электрически заряжены, между ними, а также между ними и электрическими зарядами в плазме развиваются очень сложные взаимодействия и динамика. Таким образом, с 1980-х годов были приняты такие термины, как Dustyplasma («пылевая плазма» в буквальном переводе) или Complex Plasmas («сложная плазма»).

В середине 1990-х группа исследователей из Германии обнаружила, что такие процессы, происходящие в плазме на Земле, приводят к интересной ситуации. Под влиянием сложной динамики среди заряжённых пылинок они могут в некоторых случаях соединяться друг с другом и в процессе, похожем на самоорганизацию, создавать устойчивые структуры на длительный период.

Немецкие исследователи назвали эти структуры «плазменными кристаллами».

Группу исследователей из России и Германии интересовало, образуются ли даже в условиях микрогравитации, например, в космосе, такие устойчивые структуры.

В 2001 году, вскоре после того, как Международная космическая станция была впервые пилотируема, они интегрировали в неё «эксперимент с плазменным кристаллом» под названием «Эксперимент с плазменным кристаллом ПКЭ-Нефедов». Эксперимент, который продолжается по сей день, фотографирует и анализирует кристаллы плазмы.

Уже в 2003 году немецкая и российская исследовательская группа сообщила, что упорядоченные структуры плазменных кристаллов действительно формируются в условиях микрогравитации.

Но по-настоящему интересная находка была сделана в 2004 году, когда группу возглавил профессор Вадим Цытович из Национальной академии наук России.

Математический анализ динамики, развивающейся среди заряженных пылинок, показал, что в некоторых случаях, когда две заряженные пылинки сближаются, они вступают в спиралевидное движение, создающее плазменный кристалл, форма которого удивительно похожа на двойную спираль. то есть, форму молекулы ДНК.

Компьютерное моделирование, проведённое в рамках исследования, показало наличие двойных катушек в плазме.

Двойные спиральные структуры исследовала команда, которая продолжала углубляться в предмет, а в 2007 году с помощью ещё одного компьютерного моделирования, на этот раз гораздо более подробного, они добрались до деталей сложной динамики между заряженными крупинками, вращающимися вокруг друг друга.

Они обнаружили, что речь идёт не только о самоорганизации в спираль, которые существуют долгое время, но и то, что эти структуры также проходят более сложные процессы, подобным тем, которые демонстрируют живые существа.

Профессор Цытович и его партнёры обнаружили, что спиральные кристаллы развиваются и растут с течением времени после того, как они «подпитываются» энергией, которую поглощают из плазменных потоков (частиц, которые не присоединились к частицам пыли) в окружающей их среде.

Поскольку спираль не построена внахлёстку по всей своей длине, например, её радиус изменяется в разных областях, исследователи сделали удивительное предположение, что, возможно, подобно спирали ДНК, которая хранит информацию, эти спирали также хранят информацию в их различных разделах.

Ещё одно удивительное явление, обнаруженное исследователями, заключается в том, что когда такая спираль разделяется, две её разные части приобретают уникальную структуру исходной спирали. Таким образом, утверждают исследователи, подобно процессу, который происходит в бактериях или клетках человека, эти спирали, напоминающие ДНК, также способны воспроизводить и передавать свои характеристики «следующему поколению».

Таким образом, исследователи делают вывод, возможно, аналогичный выводам Бома: эти подобные ДНК спирали представляют собой форму жизни. «Сложные плазменные структуры, которые организуются независимо, обладают всеми требуемыми характеристиками, чтобы назвать их неорганической формой жизни, существующей в космосе», — пишут исследователи в своей статье.

Доктор Теодорани объясняет:

«Они включили в свою компьютерную симуляцию всю информацию о движении частиц, их массах, электрических зарядах электронного бульона, а также о зарядах пылинок. Они запускали эти процессы на компьютере, позволяли происходить взаимодействиям между ними, чтобы наблюдать за происходящим.

Если эти процессы будут подтверждены дальнейшими экспериментами, то произойдёт революция в наших представлениях о том, что такое „жизнь“, и, возможно, также в концепциях разума и сознания. Сегодня мы знаем, что наша жизнь создаётся на основании углерода, а некоторые предполагают, что существует образование жизни на основе кремния, но никто не думал, что образование жизни может быть основано на плазме».

Что бы это значило?

«Если плазма действительно является основой формирования жизни, если её структуры способны развиваться, значит, нам не нужно искать жизнь в других солнечных системах в так называемых ‚районах, пригодных для жизни‘, поиски которых ведутся сегодня в Проект SETI. Такая форма жизни [на основе плазмы] может развиваться где угодно — хоть на планете Венера, хоть в газах Юпитера. И это тоже была бы очень универсальная форма жизни, учитывая тот факт, что состояние плазмы — наиболее обычное состояние материи во Вселенной».

Гигантский разум возле Луны?

Доктор Теодорани не единственный, кто думает о наличии разума в плазме. В статье от 2019 года предполагается, что даже вблизи Луны есть плазменные облака, которые могут обладать впечатляющими способностями.

Чтобы понять эту смелую теорию, нам нужно поговорить о термине «точки Лагранжа». Исследователи обнаружили, что в пределах системного радиуса действия Земли и Луны есть пять точек, в которых спутники могут относительно стабильно зависать. Это точки, в которых гравитационная сила Земли уравновешивается силой, действующей на Луну, позволяя телам стабилизироваться.

В 60-х годах прошлого века польский астроном Казимеж Кордилевский выдвинул гипотезу о том, что две из этих точек, известных как L4 и 5L и расположенных около Луны с обеих сторон, представляют собой два огромных облака пыли — пыли, накопившейся там за годы. При наблюдении Кордилевским точки 5L в 1961 г. ему даже удалось сфотографировать два ярких пятна, и он утверждал, что это свидетельство пребывания там пылевого облака. С тех пор эти гипотетические облака носят его имя и называются облаками Кордилевского.

Казимеж Кордилевский объясняет концепцию пылевых облаков в 1961 году.

В последующие десятилетия существование облаков вызывало споры. Многие исследователи утверждали, что пыль не может скапливаться в точках Лагранжа из-за различных сил, действующих в этой области, таких как гравитационные силы Солнца и других планет, а также сил, действующих под влиянием «Солнечный ветер». Эти силы выведут частицы пыли из равновесия и предотвратят их накопление.

В 2018 году группа венгерских исследователей решила разгадать тайну. В первом опубликованном ими исследовании они использовали компьютерное моделирование, которое имитировало различные силы, действующие на пылинки в этом районе, и изучали, действительно ли пыль имеет тенденцию накапливаться там. Моделирование показало, что облака пыли действительно должны скапливаться в этих двух областях, и даже нанесло на карту объём этих облаков.

Во второй части исследования, опубликованной несколько месяцев спустя, исследователи использовали телескоп, способный измерять поляризацию света (поляриметрический телескоп), и смогли заметить существование этих облаков. Также было установлено, что изображения с телескопа соответствуют схемам отображения, представленным в первой статье и рассчитанным с помощью моделирования.

Профессор Чандра Викрамасингхе, математик и астроном из Букингемского университета в Великобритании, сделал смелый шаг вперёд в идее этих пылевых облаков. На всю Солнечную систему воздействует упоминавшийся ранее «солнечный ветер» — поток плазмы, испускаемый из коронального слоя Солнца и распространяющийся по Солнечной системе.

Даже в рассматриваемых точках Лагранжа, т. е. в тех Кордилевских облаках из пыли, проходит та же самая плазма солнечного ветра. Профессор Викремесингхе и его партнёр по исследованию математически проанализировали данные, полученные венгерской группой в результате моделирования, чтобы узнать больше о размере этих облаков, количестве содержащихся в них пылинок и их плотности.

А выводы такие: по их оценкам, радиус облаков почти в 3 раза больше радиуса Земли. То есть в системе Земля и Луна есть два облака, объём которых значительно больше, чем у Земли. На основании данных о плотности, предоставленных венгерскими исследователями, профессор Викремесингхе и его партнёр подсчитали, что количество частиц пыли, рассеянных в каждом из облаков, огромно — порядка 1026, когда они в среднем находятся на расстоянии 0,74 см друг от друга.

Предполагая, что эти заряжённые пылинки способны общаться с пылинками рядом с ними по электромагнитным каналам, профессор Викремесингхе и его партнёр предлагают рассматривать эти облака как вычислительную мощность, способную обрабатывать большой объём информации.

Для сравнения, предполагаемое количество нейронов в человеческом мозгу составляет несколько десятков миллиардов, самое большее около 100 млрд. Поэтому они предлагают относиться к этим облакам как к гигантским компьютерам, способным хранить и обрабатывать большой объём информации. Важно отметить, что исследование профессора Викремесингхе ещё не было рецензировано коллегами.

Самоорганизация плазменных структур, да ещё в форме, похожей на молекулу ДНК, их удивительная способность размножаться и, возможно, даже самим производить вычисления, как предполагает профессор Викремесингхе, поднимают вопросы, которые пока остаются нерешёнными.

Прежде всего — какова функция плазмы? И потом — может ли она действительно накапливать память и даже вести себя как живое существо. Это предмет, требующий дальнейшего изучения. И напоследок — оказывают ли на нас какое-то влияние огромные плазменные облака у Земли?

Как сказал д-р Теодорони, ответы на эти вопросы могут привести к революции в нашем понимании того, что такое «жизнь», «разум» и «сознание».

Vk Telegram Facebook Twittern Od Email

Поддержите нас!

Каждый день наш проект старается радовать вас качественным и интересным контентом. Поддержите нас любой суммой денег удобным вам способом!

Поддержать