โนเบล 1970: อัลฟ์เวนกับพลาสมาในสนามแม่เหล็ก

รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี ค.ศ. 1970 แบ่งกันคนละครึ่ง ครึ่งหนึ่งมอบให้ ฮันเนส อัลฟ์เวน นักฟิสิกส์ชาวสวีเดน "สำหรับงานพื้นฐานและการค้นพบในแมกนีโตไฮโดรไดนามิกส์ ซึ่งนำไปประยุกต์ได้อย่างกว้างขวางในหลายส่วนของฟิสิกส์พลาสมา" อีกครึ่งมอบให้ หลุยส์ เนล นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส สำหรับงานด้านแม่เหล็กในของแข็ง

สสารส่วนใหญ่ในเอกภพคือพลาสมา

บนโลกเราคุ้นกับของแข็ง ของเหลว และแก๊ส แต่สสารที่มองเห็นได้ในเอกภพเกือบทั้งหมดอยู่ในสถานะพลาสมา คือแก๊สที่ร้อนจนอิเล็กตรอนหลุดจากอะตอม ดาวฤกษ์ ลมสุริยะ และแก๊สระหว่างดาวส่วนใหญ่เป็นพลาสมา พลาสมานำไฟฟ้าได้ดีมาก จึงทั้งถูกสนามแม่เหล็กผลักดัน และสร้างสนามแม่เหล็กขึ้นเองด้วย การอธิบายมันต้องรวมกลศาสตร์ของไหลกับแม่เหล็กไฟฟ้าเข้าด้วยกัน ศาสตร์นี้คือแมกนีโตไฮโดรไดนามิกส์ หรือ MHD

เส้นสนามแม่เหล็กที่ถูกแช่แข็ง

อัลฟ์เวนแสดงว่าในพลาสมาที่นำไฟฟ้าได้ดีมาก เส้นสนามแม่เหล็กจะเคลื่อนไปพร้อมกับเนื้อพลาสมาเหมือนถูกแช่แข็งติดอยู่ในเนื้อของมัน ถ้าพลาสมาไหลไปทางไหน สนามแม่เหล็กก็ถูกลากไปด้วย ถ้าสนามแม่เหล็กแข็งแรงกว่า พลาสมาก็ต้องไหลไปตามเส้นสนาม แนวคิดนี้อธิบายได้ว่าทำไมลมสุริยะจึงหอบสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์ออกไปทั่วระบบสุริยะ และทำไมแก๊สร้อนในบรรยากาศดวงอาทิตย์จึงเรียงตัวเป็นห่วงโค้งตามเส้นสนามแม่เหล็ก

คลื่นอัลฟ์เวน

ในปี ค.ศ. 1942 อัลฟ์เวนทำนายว่าเส้นสนามแม่เหล็กในพลาสมาสั่นได้เหมือนสายกีตาร์ที่ถูกดีด โดยมีความหนาแน่นของพลาสมาเป็นเหมือนน้ำหนักของสาย คลื่นนี้เคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วอัลฟ์เวน

โดย B คือความเข้มสนามแม่เหล็ก \rho คือความหนาแน่นของพลาสมา และ \mu_0 คือค่าคงที่การซึมผ่านได้ของสุญญากาศ สนามแรงและพลาสมาเบาทำให้คลื่นเร็ว ในคอโรนาของดวงอาทิตย์ อัตราเร็วนี้อยู่ที่ราว 700 กิโลเมตรต่อวินาที ส่วนในลมสุริยะใกล้โลกเหลือราว 50 กิโลเมตรต่อวินาที ซึ่งช้ากว่าลมสุริยะเองหลายเท่า เมื่อลมสุริยะปะทะสนามแม่เหล็กโลกจึงเกิดคลื่นกระแทกด้านหน้าคล้ายคลื่นหน้าเรือ

เล่ากันว่าตอนแรกนักฟิสิกส์หลายคนไม่เชื่อ จนกระทั่ง เอนรีโก แฟร์มี ฟังการบรรยายของอัลฟ์เวนในปี ค.ศ. 1948 แล้วกล่าวว่าคลื่นแบบนี้มีได้แน่นอน ปีต่อมาการทดลองกับปรอทเหลวในสนามแม่เหล็กก็ยืนยันคลื่นนี้ได้ ปัจจุบันคลื่นอัลฟ์เวนเป็นผู้ต้องสงสัยหลักว่าเป็นตัวส่งพลังงานไปทำให้คอโรนาร้อนกว่าล้านเคลวิน และในปี ค.ศ. 2021 การทดลองในห้องปฏิบัติการแสดงว่าคลื่นอัลฟ์เวนเร่งอิเล็กตรอนได้ในแบบเดียวกับที่ทำให้เกิดแสงออโรรา

พื้นผิวอัลฟ์เวน

ใกล้ดวงอาทิตย์ สนามแม่เหล็กแรงจนลมสุริยะยังเคลื่อนช้ากว่าอัตราเร็วอัลฟ์เวน พลาสมาจึงยังถูกสนามแม่เหล็กยึดไว้กับดวงอาทิตย์ ไกลออกไป ลมสุริยะเร็วกว่าคลื่นอัลฟ์เวนและหลุดเป็นอิสระ ขอบเขตระหว่างสองบริเวณนี้เรียกว่าพื้นผิวอัลฟ์เวน และถือเป็นขอบนอกของบรรยากาศดวงอาทิตย์ ในวันที่ 28 เมษายน ค.ศ. 2021 ยาน Parker Solar Probe ของ NASA เป็นยานลำแรกที่ผ่านเข้าไปใต้พื้นผิวนี้ ที่ระยะราว 13 ล้านกิโลเมตรจากดวงอาทิตย์ จึงถือเป็นยานลำแรกที่ "แตะ" ดวงอาทิตย์

อัลฟ์เวนยังเสนอแนวคิดเกี่ยวกับจักรวาลที่เน้นบทบาทของพลาสมาและไฟฟ้าแทนแรงโน้มถ่วงในระดับใหญ่ แนวคิดนี้ไม่ได้รับการยอมรับ เพราะขัดกับหลักฐานอย่างรังสีไมโครเวฟพื้นหลัง แต่ MHD ของเขายังเป็นเครื่องมือหลักของฟิสิกส์ดวงอาทิตย์ ฟิสิกส์อวกาศ และงานวิจัยพลังงานฟิวชันจนทุกวันนี้