15.2 СВЯЗЬ МЕЖДУ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКОЙ ПЛАЗМЫ
Поскольку знание физики плазмы необходимо для понимания ранней стадии эволюции Солнечной системы, дадим здесь краткий обзор ее современного состояния. Физика плазмы начала развиваться по двум параллельным направлениям: преимущественно эмпирическому и преимущественно теоретическому. Исследования в области, названной «электрические разряды в газах», имеют уже более чем столетний возраст и вначале были в высшей степени экспериментальными и описательными. Очень медленно в этих исследованиях был достигнут некоторый уровень теоретического понимания. Большинство физиков-теоретиков смотрели свысока на эту запутанную и неудобную для теоретического описания область, где в плазме происходило образование страт и двойных слоев, распределение электронов было немаксвелловским и имелось много видов колебаний и неустойчивостей. Короче говоря, это была область, явно непригодная для применения изящных математических. теорий.
С другой стороны, считалось, что для описания свойств ионизованных газов можно без особого труда приспособить хорошо разработанную кинетическую теорию обычных газов. Появившиеся таким образом теории были математически изящны и претендовали на вывод всех свойств плазмы из основных физических законов. Сторонники этих теорий очень мало соприкасались с экспериментальной физикой плазмы, а все неясные явления, которые наблюдались при исследовании разрядов в газах, они попросту исключали из рассмотрения.
В физике космической плазмы современный экспериментальный подход был предложен Биркеландом [68]. Ой первым попытался
совместить то, что теперь известно как физика лабораторной плазмы и физика космической плазмы. Наблюдая полярные сияния и магнитные бури в природе, Биркеланд исследовал их с помощью своего знаменитого эксперимента с тереллой. Он установил, что при погружении тереллы в плазму вокруг полюсов при определенных условиях возникают светящиеся кольца. Биркеланд отождествил эти кольца с зонами полярных сияний. Как мы теперь знаем, этот вывод был в основном верным. Далее, он разработал модель полярных магнитных бурь, предположив, что авроральная электроструя замыкается вертикальными токами (вдоль магнитных силовых линий). Эта идея по существу также правильна. Таким образом, хотя Биркеланд не мог многого знать о сложной структуре магнитосферы, современные исследования развиваются в большой степени по направлениям, намеченным Биркеландом и дополненным данными измерений в космическом пространстве (см. [77, 78, 109, 132, 157]).
К сожалению, развитие этих направлений происходило не непрерывно. Теории плазмы, называвшейся в то время ионизованным газом, были разработаны без какого-либо учета исследований лабораторной плазмы. Несмотря на это, доверие к подобным теориям было настолько велико, что их непосредственно применяли к космическому пространству. Одним из результатов явилась теория Чепмена — Ферраро, которая вскоре оказалась признанной до такой степени, что подход Биркеланда был почти полностью забыт и в течение 30—40 лет крайне редко упоминался в книгах и обзорах, а всеми попытками возродить и развить его пренебрегалось. Подобным же образом система токов Чепмена-Вестина, согласно которой магнитные бури порождались токами, протекающими исключительно в ионосфере, пришла на смену трехмерной системе Биркеланда.
Господство этого не подтвержденного экспериментом теоретического подхода продолжалось до тех пор, пока можно было избегать столкновения с действительностью. Такое столкновение в конце концов произошло. Оно было связано с теоретически полученным выводом о том, что в магнитных полях плазма может легко удерживаться и нагреваться до таких температур, при которых оказывается возможным выделение термоядерной энергии. Однако попытки создать термоядерные реакторы до сих пор не удались. Несмотря на то, что теории были общепризнаны, сама плазма отказывалась им подчиняться. Вместо этого в плазме обнаружилось множество важных эффектов, которые не были учтены теорией. Медленно ученые осознали необходимость в создании новых теорий, но на этот раз уже в тесном контакте с экспериментом.
Отмеченный «термоядерный кризис» не повлиял значительным образом на физику космической плазмы. Развитие теорий в этой области могло продолжаться по-прежнему, так как здесь
исследовались главным образом явления в области космического пространства, где фактическая проверка была невозможна. То обстоятельство, что основа нескольких из этих теорий в результате проверки в лабораторных условиях оказалась ошибочной, сыграло незначительную роль. Этот факт либо игнорировали, либо парировали, утверждая, что несостоятельность указанных теорий в лабораторых условиях не обязательно должна означать их несостоятельность в условиях космоса.
Второе столкновение с действительностью принесли полеты космических аппаратов, сделавшие возможным исследование магнитосферы и межпланетного пространства с помощью физических приборов. Первые полученные таким образом результаты интерпретировались с помощью общепризнанных теорий или новых теорий, построенных на прежней основе. Однако по мере совершенствования техники наблюдений стала очевидной несостоятельность этих теорий. Космическая плазма оказалась такой же сложной, как и лабораторная. Действительно, в настоящее время очень мало что осталось от теории Чепмена — Ферраро и ничего не осталось от системы токов Чепмена — Вестина (хотя есть еще много ученых, которые их поддерживают). Многие другие теории, построенные на подобной основе, вероятно, разделят их участь.
