پیدایش فیزیک پلاسما"

آشنایی با آن چه امروزه «اثرهای پلاسما» نامیده می‌شود با ظهور علم الکتریسیته در قرن نوزدهم آغاز شد. در دهه 1830، مایکل فاراده برای مطالعه تبدیلات شیمیایی ایجاد شده در اثر جریانهای الکتریکی، تخلیه الکتریکی را ابداع کرد. این تخلیه‌ها درخششهایی با ساختار غیر معمول را نشان می‌دادند که نمایانگر حالت جدیدی از ماده بود. الکترون توسط ج. ج. تامسون در سال 1895 میلادی و به دنبال آن، تبیین نظریه اتمی ماده توسط نیلس بور، ارنست رادر فورد و دیگران؛ پیش رفت دیگری در این زمینه امکان پذیر نبود.
تا اوایل قرن بیستم، تعاریف روشنا از مباحث الکترو مغناطیس، دینامیک شاره‌ها، مکانیک آماری و فیزیک اتمی به دست آمده بود. از مجموعه این مباحث، نهایتاً روش واحدی برای مطالعه فیزیک پلاسما، یعنی بررسی بر هم کنشهای جمعی غیر خطی ذرات بار دار با یک دیگر و با میدانهای الکتریکی و مغناطیسی تدوین شد. شناسایی پلاسما به عنوان چهارمین حالت فیزیکی ماده یکی از دست آوردهای فیزیک قرن بیستم است.
طی این قرن، پیش رفتهایی در درک پلاسماها در آزمایشگاه، در فضا و در اختر فیزیک به موازات یک دیگر حاصل شد. در دهه 1920 لانگمویر نوسانهای جمعی پلاسما را در آزمایشگاه کشف کرد و برایت و توو موفق شدند برای اولین بار امواج رادیویی را از یونسفر – منتهی الیه جو – باز تاب دهند.
بین دهه 1930 و دهه 1950، مبانی فیزیک پلاسما عمدتاً به صورت محصول جنبی پژوهشهای یونسفری، خورشیدی، زمینی، و اختر فیزیکی شکل گرفت. این پژوهشها به منظور درک چگونگی پدیده‌های متعددی مانند انتشار امواج رادیویی در یونسفر، ظهور شفق قطبی و طوفانهای مغناطیسی از زمین در اثر فعالیت خورشید، و نقش میدانهای مغناطیسی در رفتار ستاره‌ها، کهکشانها و محیط میان – ستاره‌ای انجام می‌گرفت. طی این دوران، آزمایشهای تخلیه گاز از نظر تعداد و کارایی افزایش یافتند. در سال 1946، ال. لاندائو اولین نظریه بر هم کنش بین امواج و ذرات تشدیدی در یک پلاسمای بدون بر خورد را ساخت. تا دهه 1950 روشن شده بود که ماهیت بدون بر خورد پلاسماهای داغ خاصیتی اساسی است که بر هم کنشهای جمعی پلاسماها را توضیح می‌دهد.
شالوده فیزیک پلاسمای جدید در دهه 1950 میلادی ریخته شد. دو تحول علمی عمیقتر در آن سالها عبارت‌اند از قرار گرفتن موفقیت آمیز اولین ماهواره در مدار توسط روسیه، و آشکار شدن این موضوع (با خارج شدن از اسرار نظامی) که هم در ایالات متحده امریکا و هم در روسیه کوششهایی برای مهار کردن انرژی حاصل از گداخت گرما هسته‌ای (منبع انرژی خورشید) برای مقاصد صلح جویانه در جریان است. در آن زمان هم، مانند حالا، موانع موجود در راه حصول به گداخت مهار شده، ناشی از عدم آگاهی ما از فیزیک هسته‌ای نبود، بلکه به نا آگاهی‌مان از فیزیک پلاسما مربوط می‌شد. در سال 1958 کمر بندهای تابشی زمین، و در سال 1960 باد خورشیدی توسط سفینه‌های فضایی کشف شد. این کشفبات نشان داد که کاوشها و درک آتی ما از محیط فضایی زمین و خورشید نیز به زبان فیزیک پلاسما بیان خواهد شد.
کوشش جهانی برای حصول به گداخت گرما هسته‌ای مهار شده، محرک اصلی گسترش فیزیک پلاسمای آزمایشگاهی بوده است. در سال 1958 آرایه «تنگش تتا» دماهای گداخت را در چگالیهای زیاد پلاسما تولید کرد. اما زمان در داشت انرژی چندین مرتبه بزرگی کمتر از مقدار لازم برای تولید خالص انرژی بود. لازمه حصول هم زمان به دماهای بالا، چگالیهای زیاد و زمانهای در داشت طولانی – مشابه شرایط پلاسما در مرکز ستاره‌ها – پیش رفت چشم گیر در تولید و شناخت پلاسمای در داشته توسط میدانهای مغناطیسی یا با روشهای «لخت» بود.
فن آوری لازم برای ایجاد شرایط پلاسمای گداختی در آزمایشگاه (میدانهای مغناطیسی قوی، آهن رباهای ابر رسانا با حجم بزرگ، باریکه‌های خنثی با انرژی زیاد، لیزرهای پر قدرت، فنون خلأ و سطح، و منابع پر قدرت گسیل بسامد رادیویی در گستره وسیع) به طور منظم فراهم آمد. امکان پذیر بودن گداخت مهار شده از نظر علمی احتمالاً در آینده نشان داده خواهد شد، و این واقعه‌ای است که انتظار می‌رود به تحقیقات در زمینه فیزیک پلاسما قوت ببخشد، همان طور که ظهور توماک به عنوان یک روش جالب در داشت در اواخر سالهای دهه 1960 سبب رشد قابل توجه در پژوهشهای گداخت در دهه 1970 شد.
با گسترش علوم و روشهای تجربی وابسته، کار بردهای دیگری هم برای فیزیک پلاسما نمایان شد. نمونه‌ای از این موارد متعدد، لیزر الکترون آزاد است. لیزر الکترون آزاد، که قادر به ایجاد تابش همدوس از میکرو موج تا بسامدهای اپتیکی و حتب احتمالاً در گستره پرتو ایکس است، کار بردهای فراوان در بسیاری از شاخه‌های فیزیک و سایر علوم، صنعت و پزشکی خواهد داشت. با استفاده از اثرهای جمعی پلاسما، ممکن است بشود نسل جدیدی از شتاب دهنده‌های ذرات، مانند شتاب دهنده موج زنشی، ابداع کرد که در مرزهای فیزیک ذرات پر انرژی عمل کند.
یک کار برد جدید فیزیک پلاسما، جدا سازی ایزوتوپهای پایدار و نا پایدار است که در پژوهشهای هسته‌ای، پژوهشها و تشخیصهای پزشکی، پژوهشهای کشاورزی، رد یابی خرکت آلاینده‌های محیط، و سایر موارد از آن استفاده می‌شود. بسیاری از مسائل ظریف فیزیک پلاسما، شیمی پلاسما و بر هم کنشهای پلاسما – سطح در پژوهشهای جدا سازی ایزوتوپها پیش می‌آید.
مطالعه پلاسماها در ما وراء منظومه شمسی به یک دلیل اساسی کندتر از مطالعه فیزیک پلاسمای فضایی پیش رفته است: فرایندهای میکروسکوپیکی پلاسما را، که رفتار سیستمهای اختر فیزیکی دور دست را تنظین می‌کنند، نمی‌توان (مانند فضای نزدیک) مستقیماً مشاهده کرد. به هر حال اکنون با روشهای جدید نظری و محاسباتی که به منظور درک اندازه گیریهای گداخت، آزمایشگاهی، و فضایی به وجود آمده‌اند، راه جدیدی به سوی مدل سازی پلاسماها در محیطهای بزرگتر و غیر عادیتر اختر فیزیک، از جو ستاره‌ای گرفته تا اختروشها، گشوده شده است.
مدل سازی عددی، که مهمترین کار فیزیک کامپیوتری است، علاوه بر فیزیک پلاسما، در مکانیک آماری، دینامیک غیر خطی، تلاطم شاره‌ها، و فیزیک ذرات بنیادی نیز به کار می‌رود. استفاده از آن در فیزیک پلاسما، مطالعه کمی سیستمهای مغناطو هیدرو دینامیکی را امکان پذیر ساخته است و فرایندهای جمعی غیر خطی را – که تنظیم کننده انتقال پلاسما در این سیستمها هستند – روشن کرده است.
انگیزه‌های عمیق فلسفی، مجموعه وحدت یافته‌ای از روشهای نظری و تجربی، و گستره وسیعی از کار بردها، مشخصه رشته‌های علمی پیش رفته هستند. با یک پارچه شدن روز افزون پژوهشهای پلاسمای گداختی، فضایی و اختر فیزیکی، روشن است که فیزیک پلاسما در حال تبدیل شدن به یک رشته پیش رفته علمی است. ثمره رشد هر رشته علمی، نو آوری تکنولوژیکی است. فیزیک پلاسما نیز – تنها شاخه عمده فیزیک که عمدتاً طی نسل گذشته به وجود آمده است – کم کم دارد ثمرات خود را نشان می‌دهد.