Чудеса обычных вещей - Маркус Чоун

Анализ состава звезд, земных камней и метеоритов дал поразительные результаты. Оказалось, что по всему космосу элементы присутствуют примерно в одних и тех же пропорциях. Как сказал американский физик Ричард Фейнман: «…самым выдающимся открытием астрономии было открытие того, что звезды состоят из таких же атомов, что и Земля»[62]. Менее удивительно, однако не менее важно то, что во «вселенской» распространенности элементов виден определенный рисунок. Общее правило таково: чем тяжелее элемент, тем реже он встречается в природе. Однако на деле кривая распространенности элементов уходит вниз невероятно круто: например уран, элемент № 92, встречается в миллиард раз реже, чем элемент № 11, натрий. Легче всего это увидеть на листе миллиметровки. Если построить график, на горизонтальной оси расположив элементы по возрастанию их атомного веса, а на вертикальной оси отобразив распространенность элементов в природе, то в результате получится горный склон. От самых легких элементов в левой части листа склон крутым обрывом уйдет к тяжелым элементам, наподобие урана, расположенным в крайней правой части.

Некоторые элементы, однако, выступают против общей тенденции — им словно бы не нравится это резкое падение распространенности с нарастанием атомного веса. Получается, что они более распространены, чем их соседи по горному склону. Так, на склоне есть холмики, соответствующие углероду, азоту и кислороду; железо и его ближайшие соседи тоже образуют холмик. Но встречаются и такие элементы, распространенность которых отчетливо меньше, чем у соседей. Например, на склоне есть впадины, соответствующие литию, бериллию и бору.

Почему одни элементы более распространены, чем ожидалось, а другие менее? Важный ключ к разгадке можно найти в удивительном месте: в астоновской долине ядерной стабильности.

Вспомним, что в долине ядерной стабильности ядра с наименьшей массой в пересчете на один нуклон — железо и никель — находятся внизу, а по склонам, расположенным по обе стороны низины, поднимаются атомы, у которых все больше и больше массы в пересчете на нуклон. Ну что же, как выяснилось, эта простая картина не рассказывала всей правды. Когда Астон усовершенствовал свой масс-спектрограф и смог измерить массы ядер более точно, он обнаружил, что склоны его долины не слишком уж гладкие. Там, где были ядра с большей массой на нуклон, чем у ближайших соседей, располагались небольшие бугорки, а там, где были ядра с меньшей массой на нуклон, получились ямки. Примечательно то, что горбики на горном склоне распространенности элементов в точности совпали с ямками астоновской долины ядерной стабильности, а впадины на склоне распространенности совпали с холмиками на склонах астоновской долины. Вывод неизбежен: между этими явлениями должна быть связь. Насколько распространен элемент, должно зависеть от конкретных свойств его атомного ядра. Это и есть сильнейший намек на то, что за формированием элементов стоят ядерные процессы, — иначе говоря, намек на то, что элементы были сделаны.

Представим себе, что высоко со склонов долины кто-то сбрасывает партию футбольных мячей. Катясь по склонам ко дну долины, они огибают бугорки, но застревают в ямках. Соответствие между распространенностью элементов в космосе и астоновской кривой говорит о том, что нечто подобное, видимо, произошло и в природе. Атомные ядра, должно быть, были «сброшены» с высокого левого склона долины ядерной стабильности. Затем они «покатились» по склону ко дну долины, огибая бугорки и застревая в ямках. Атомное ядро в верхней левой части астоновской долины ядерной стабильности — это ядро маленькое, легкое. То ядро, которое скатывается ко дну долины, следовательно, не что иное, как легкое ядро, становящееся все тяжелее и тяжелее по мере последовательного накопления в нем ядерных кирпичиков. Другими словами, это легкое ядро, из которого строится более тяжелое.

Но если элементы были сделаны, на что указывают все свидетельства, то где именно происходило это делание? Ключевой момент здесь — температура, требующаяся для построения элементов. У ядер, которые побольше и потяжелее, и электрический заряд соответственно больше, чем у тех ядер, что поменьше и полегче. Следовательно, большие ядра намного яростнее отпихивают друг друга, а это означает только одно: чтобы они как следует столкнулись да еще склеились, требуются куда более высокие температуры. Судя по всему, самое жаркое место во Вселенной — это звезды, подобные Солнцу. К несчастью, расчеты английского астронома Артура Эддингтона, выполненные в 1925 году, показали, что звезды не могут быть космическими плавильными тиглями, в которых выпекаются элементы. Как объяснил Эддингтон, по причине вращения самого Солнца вещество внутри нашей звезды пребывает в нескончаемом круговом движении, и в результате этой бесконечной циркуляции солнечная материя непрерывно и очень тщательно перемешивается. Поэтому, если бы водород спекался в гелий, порождая таким образом солнечный свет, «пепел» гелия равномерно распространялся бы по всему веществу звезды. Беда в том, что этот пепел постоянно разбавлял бы водородное топливо Солнца. По мере хода времени Солнце постепенно остывало бы, а затем погасло бы окончательно. От тигля же, в котором выпекаются элементы, требуется как раз обратное.

В Соединенных Штатах Джордж Гамов знал о расчетах Эддингтона. Соображения английского астронома побуждали его найти другой плавильный тигель, достаточно горячий, чтобы в нем можно было выпекать элементы. И вскоре он нашел такой тигель: огненный шар Большого взрыва. В 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл (1889–1953), работавший в обсерватории Маунт-Вилсон в Южной Калифорнии, открыл, что галактики (это тоже «кирпичики», но уже большой Вселенной, их миллиарды и миллиарды, и наш Млечный Путь лишь один из них) разлетаются друг от друга, подобно космической шрапнели, несущейся во все стороны после взрыва титанического фугаса. Мы живем в расширяющейся Вселенной. И поскольку она расширяется, следует неизбежный вывод: в прошлом Вселенная была гораздо меньше. Если вообразить, что это расширение идет в обратном направлении, словно бы нам стали показывать фильм задом наперед, мы, по сути, придем к некоей точке во времени, когда все мироздание было сжато в бесконечно малом объеме. Это и есть момент рождения Вселенной в Большом взрыве, случившемся, как представляется сегодня, 13,7 миллиарда лет назад.

Гамов подхватил идею Большого взрыва и развил ее. Если в прошлом Вселенная была меньше, рассуждал он, следовательно, она должна была быть горячее (вновь все тот же старый эффект — воздух, нагревающийся в велосипедном насосе). Получается, что Большой взрыв, помимо прочего, был очень «горяч». А если этот самый Большой взрыв был очень горяч, то не могли он стать тем плавильным тиглем, где из нескольких простеньких базисных ингредиентов и выпекались химические элементы? Но вот проблема: Большому взрыву явно не хватало на это времени. Когда Вселенной было всего десять минут от роду, она уже расширилась и остыла до такой степени, что процессы формирования элементов благополучно заглохли. Это даже не пощечина мирозданию — это две пощечины подряд. Спустя десять минут после Большого взрыва огненный шар был уже не такой плотный, чтобы ядра могли часто сталкиваться друг с другом, а когда они все же сталкивались, то двигались слишком медленно и взаимное отталкивание было непреоборимо. Однако Гамова это не смутило. Десяти минут должно хватить, вот и весь сказ! «Элементы были приготовлены быстрее, чем готовится утка с жареной картошкой», — утверждал он[63].