Вселенная внутри нас: что общего у камней, планет и людей - Нил Шубин

В процессе охлаждения и расширения Вселенной мельчайшие частицы стали образовывать ядра, ядра с электронами образовали атомы, а различные атомы смогли, наконец, вступать во взаимодействие, столь необходимое для формирования более крупных частиц. Постепенно начинала все большую роль играть гравитация.

Примерно миллион лет спустя после Большого взрыва Вселенная остыла и расширилась до такой степени, что начали возникать частицы материи достаточно большого размера, чтобы форма вещей в значительной мере стала определяться силами гравитации. Под влиянием разных сил установился определенный порядок: сила гравитации заставляет тела сближаться, а тепло и более загадочные силы вроде темной энергии вызывают отталкивание. Эта связь определила тот порядок вещей, который мы наблюдаем во Вселенной — от формы облаков газа и звезд до формы галактик и планет. Более того, эта связь объясняет эволюцию самой химии от таблицы с двумя элементами до таблицы с сотней элементов.

Как из двух элементов, существовавших 13,69 миллиарда лет назад, возник мир атомов, из которых сформированы наша планета и наши тела? По мере нашего перемещения по периодической таблице от более легких элементов вроде водорода и гелия к более тяжелым, таким как углерод и кислород, ядра становятся все тяжелее. При определенных условиях два маленьких ядра могут объединиться, образовав одно крупное. Арифметика этого процесса зависит от физических свойств конкретных ядер. В большинстве случаев 1 + 1 не равно 2: результат объединения ядер не равен их сумме. Часто новое ядро легче суммы составляющих его ядер, так что при слиянии ядер некоторая часть вещества теряется. Но, как следует из уравнения Эйнштейна, вещество на самом деле не исчезает: оно превращается в энергию. Таким образом, при термоядерных реакциях может образовываться огромное количество энергии.

Люди пытались использовать эту энергию, но в обычных условиях ядра самопроизвольно не сливаются. Нужно затратить много энергии, чтобы запустить такую реакцию. Используя этот принцип, создатель водородной бомбы Эдвард Теллер сконструировал первый термоядерный реактор, соединив аппарат, в котором осуществлялось слияние ядер, с атомной бомбой. Атомная бомба поставляет энергию, выделяющуюся в результате расщепления атомного ядра. Для запуска этой реакции требуется немного энергии. На атолле Эниветок, одном из Маршалловых островов, Теллер и его коллега Станислав Мартин Улам установили систему под кодовым названием «Айви Майк» (Ivy Mike), сопоставимую по размерам с небольшим заводом. В ходе испытаний в ноябре 1952 года энергия взрыва атомной бомбы способствовала слиянию атомов водорода в реакторе, в результате чего последовал мощный взрыв. Теллер следил за происходящим у сейсмографа в подвале геологического факультета Калифорнийского университета в Беркли. После взрыва атолл Эниветок полностью оголился, в его центре образовалась дыра диаметром полтора километра. Фрагменты коралловых рифов разлетелись на расстояние до двадцати пяти километров. Изучая обломки, ученые обнаружили, что энергия взрыва вызвала слияние некоторых крупных ядер, в результате чего возникли новые элементы, прежде не встречавшиеся на планете. Их назвали эйнштейнием и фермием — в честь Эйнштейна и Ферми, идеи которых помогли понять, какая энергия таится внутри атомов.

Термоядерные реакции являются основным источником энергии звезд. Но между небесными телами и бомбой Теллера — Улама существует принципиальное различие: для запуска термоядерной реакции Теллер использовал атомную бомбу, тогда как реакции внутри звезд происходят за счет гравитации.

Доказательства существования этих реакций можно увидеть и сегодня. Если в подходящую погоду, пользуясь боковым зрением, достаточно долго рассматривать созвездие Орион, сконцентрировавшись на трех звездах в его «поясе», то можно увидеть размытое светящееся пятно, известное как Большая туманность Ориона. Если навести на него телескоп, туманность приобретет структуру и станет похожей на большое облако с несколькими некрупными звездами внутри. Эта туманность представляет собой огромное облако газа и, примерно как первичная Вселенная, дает начало новым звездам, которых насчитывается около семисот. Конечно, учитывая расстояние от нас до этой туманности, мы смотрим на фотографии новорожденных звезд примерно с тысячелетним опозданием.

В процессе образования звезды облако газа становится все массивнее, и чем больше частиц оно к себе притягивает, тем сильнее в нем гравитационное притяжение. В какой-то момент масса облака газа преодолевает критическое значение, и гравитационное притяжение становится неудержимым процессом, в ходе которого весь газ втягивается в центральную точку. Силы гравитации заставляют сливаться ядра всех элементов. В результате возникают новые комбинации ядер, и вместо ядра с одним протоном образуется более тяжелое ядро с двумя протонами. Однако эти новые ядра легче суммы прежних. В соответствии с уравнением E = mc2 потерянная масса превращается в огромное количество энергии, выделяющейся в космическое пространство.

Размер и продолжительность жизни любой звезды определяются этими противоположно направленными силами, действующими внутри звезды: сила гравитации затягивает элементы внутрь, а тепло термоядерных реакций заставляет их разъединяться.

Звезду можно сравнить с двигателем, который сначала использует одно топливо, а затем, когда оно заканчивается, переходит на другое. В обычных звездах в результате слияния атомов водорода образуется гелий. Солнце — именно такая звезда. Со временем, когда заканчивается водород и меняются условия, звезда переключается на слияние атомов гелия. Так продолжается и дальше: звезда начинает потреблять гелий, превращая его в более тяжелые элементы. Когда заканчивается гелий, термоядерные реакции начинают поглощать еще более тяжелые атомы, и так далее. В результате образуются кислород, углерод и другие химические элементы. За счет термоядерных реакций внутри звезд периодическая система разрослась от двух атомов до десятков.

Большинство тяжелых элементов в нашем организме возникло в результате термоядерных реакций в звездах.

Звезды могут использовать в качестве топлива даже более тяжелые атомы — вплоть до определенного предела, установленного законами физики и химии. Этот пограничный элемент — железо — занимает специфическое место в периодической таблице. Ядра более легких элементов могут сливаться, выделяя огромную энергию. Более тяжелые ядра тоже могут сливаться, но их структура такова, что при этом выделяется значительно меньше энергии. В результате для слияния этих ядер требуется затратить больше энергии, чем выделяется в реакции. Если бы, к примеру, в основе работы ядерного реактора лежало слияние ядер железа, такой реактор давал бы меньше энергии на выходе, чем нужно было бы затратить на его работу.

Это правило неприятно для звезд, зато для нас оно чрезвычайно выгодно. По мере того как звезды потребляют легкие элементы и постепенно продвигаются дальше по периодической таблице, в их центре накапливается железо. По мере расходования топлива и накопления железа термоядерные реакции ослабевают, и звезды начинают излучать меньше тепла. При определенных условиях ядро железа может поглощать энергию (своеобразное обращение ядерного взрыва). Это может запускать мощную цепную реакцию, заканчивающуюся взрывом, в ходе которого за считанные секунды может выделиться больше энергии, чем звезды вроде нашего Солнца способны выделить за все время своего существования.

Такой взрыв является одним из механизмов образования сверхновых звезд (второй механизм — столкновение звезд). Принцип действия сверхновых звезд напоминает принцип действия устройства Теллера — Улама: энергия одного взрыва запускает термоядерные реакции нового типа. Помните, мы говорили о термоядерных реакциях между элементами тяжелее железа? Сверхновые звезды выделяют так много энергии, что в них эти энергозатратные реакции могут иметь место. Все элементы тяжелее железа, такие как кобальт и цезий в наших телах, происходят из сверхновых звезд.

Для нас это очень важно. Взрывы сверхновых звезд распространяют атомы мертвой звезды по всей галактике. Это один из механизмов перемещения атомов между звездами.

Круговорот элементов во Вселенной. Водород внутри нас образовался в момент Большого взрыва, а другие элементы поступают от звезд и сверхновых звезд. Но однажды элементы, составляющие наше тело, вновь рассеятся во Вселенной.

Таким образом, мельчайшие частицы наших тел имеют столь же долгую историю, как сама Вселенная. Вскоре после Большого взрыва возникли атомы водорода, а позднее их рекомбинация начала приводить к образованию более тяжелых элементов, из которых складывались звезды и сверхновые звезды.