«До конца времен: Сознание, материя и поиск смысла в меняющейся Вселенной»

Вселенная обречена: звезды погаснут, исчезнут галактики. Наступит момент, когда любая организованная материя, вполне вероятно, перестанет существовать — и существованию жизни и разума также придет конец. В книге «До конца времен: Сознание, материя и поиск смысла в меняющейся Вселенной» (издательство «Альпина нон-фикшн»), переведенной на русский язык Натальей Лисовой, физик-теоретик Брайан Грин рассказывает, как человечество вписывается в колоссальную протяженность времени, каким может быть конец всего сущего и как люди пытаются осмыслить его приближение. N + 1 предлагает своим читателям ознакомиться с отрывком, посвященным происхождению элементов, сложных и простых атомов, образующих все, что существует во Вселенной.

Происхождение элементов

Измельчите любой объект, бывший прежде живым, распотрошите его сложную молекулярную «машинерию» — и вы обнаружите в избытке шесть типов атомов, всегда одних и тех же: углерод, водород, кислород, азот, фосфор и серу. Откуда берутся эти необходимые для жизни атомные ингредиенты? Ответ на этот вопрос представляет одну из величайших историй успеха современной космологии.

Рецепт построения любого атома, каким бы сложным он ни был, достаточно прост. Соедините нужное число протонов с нужным числом нейтронов, сожмите их в плотный шар (ядро), окружите электронами в количестве, соответствующем числу протонов, и запустите электроны по конкретным орбитам, предписанным квантовой физикой. Вот и все. Проблема в том, что составные части атома, в отличие от деталей конструктора Лего, невозможно просто щелчком поставить на место. Они сильно притягивают и отталкивают друг друга, делая сборку ядра сложной задачей. Протоны, в частности, обладают одинаковым положительным электрическим зарядом, поэтому требуются огромные давление и температура, чтобы сжать их вопреки взаимному электромагнитному отталкиванию и сблизить в достаточной мере, чтобы главенствующую роль взяло на себя сильное ядерное взаимодействие, которое сможет соединить их в мощных субатомных объятиях.

Невообразимые условия, царившие сразу после Большого взрыва, превосходили по своей экстремальности все, что случилось позже, и поэтому тогдашняя среда представляется вполне подходящей для преодоления электромагнитного отталкивания и сборки атомных ядер. Вы могли бы предположить, что в невероятно плотном и энергичном бульоне из сталкивающихся протонов и нейтронов всевозможные агломерации и должны были формироваться естественным образом, выстраивая таблицу Менделеева один атомный номер за другим. Именно такую гипотезу предложили в конце 1940-х гг. Георгий Гамов (бывший советский физик, который в ходе первой попытки побега из СССР в 1932 г. собирался пересечь Черное море на каяке, набитом преимущественно кофе и шоколадом) и его аспирант Ральф Альфер.

Отчасти они были правы. Одна проблема, которую видели Гамов и Альфер, состояла в том, что температура Вселенной в первые мгновения ее существования была слишком высока. Пространство кишело необычайно энергичными фотонами, которые разнесли бы любые возникающие объединения протонов и нейтронов. Но — и это они тоже понимали — всего примерно минуты на полторы позже (а полторы минуты — это большое время, когда речь идет об ураганной скорости, с которой развивалась новорожденная Вселенная) ситуация изменилась. К тому моменту температура значительно упала, так что энергия типичного фотона уже не превосходила по величине сильное ядерное взаимодействие, что позволило наконец образовавшимся союзам протонов и нейтронов уцелеть.

Вторая проблема, проявившаяся позже, состояла в том, что построение сложных атомов — процесс тонкий и требует времени. Для него необходима очень конкретная серия последовательных шагов, при которых предписанные количества протонов и нейтронов сплавляются вместе в различных сочетаниях, затем эти сгустки должны случайно встретиться с вполне конкретными дополняющими их сгустками, слиться с ними и так далее. Как в сложном гурманском рецепте, важен в том числе и порядок, в котором ингредиенты соединяются между собой. Еще более хитроумным этот процесс становится из-за того, что некоторые промежуточные комбинации нестабильны, то есть после образования склонны быстро распадаться, расстраивая все кулинарные приготовления и замедляя атомный синтез. Эта задержка очень важна, так как неуклонное падение температуры и плотности по мере стремительного расширения ранней Вселенной означает, что окно возможностей для синтеза быстро закрывается. Примерно через десять минут после творения температура и плотность падают ниже порога, необходимого для ядерных процессов.

Когда эти соображения переводят в количественный вид, начало чему положил еще Альфер в своей диссертации, а продолжили многие другие исследователи, то выясняется, что непосредственным следствием Большого взрыва мог стать синтез лишь нескольких видов атомов. Математика позволяет нам подсчитать их относительную распространенность после этого: около 75% водорода (один протон), 25% гелия (два протона, два нейтрона) и следовые количества дейтерия (тяжелая форма водорода с одним протоном и одним нейтроном), гелия-3 (легкая форма гелия с двумя протонами и одним нейтроном) и лития (три протона, четыре нейтрона). Тщательные астрономические наблюдения дают в точности такую же оценку распространенности атомов, что можно считать триумфом математики и физики в подробном прояснении процессов, происходивших в первые минуты после Большого взрыва.

А что же с более сложными атомами вроде тех, что необходимы для жизни? Предположения об их происхождении начал высказывать еще в 1920-е гг. британский астроном сэр Артур Эддингтон (он прославился тем, что на вопрос, каково быть одним из всего трех человек, понимающих общую теорию относительности Эйнштейна, ответил: «Я пытаюсь понять, кто же здесь третий») наткнулся на верную идею: раскаленное нутро звезд могло, в принципе, стать космической «медленноваркой» для неспешного приготовления атомов более сложных видов. Это предположение прошло через руки многих блестящих физиков, включая нобелевского лауреата Ханса Бете (мой первый кабинет на кафедре располагался по соседству с его кабинетом, и я мог проверять часы по его совершенно неизменному роскошному чиху в четыре часа пополудни) и косвенным образом Фреда Хойла (в 1949 г. в радиопрограмме Би-би-си он пренебрежительно упомянул об образовании Вселенной за «один большой взрыв», пустив, сам того не желая, в обращение один из самых емких научных терминов), в результате чего предположение превратилось в зрелый и предсказательный физический механизм.

В сравнении с безумной скоростью изменений сразу после Большого взрыва звезды обеспечивают стабильную среду, способную оставаться неизменной миллионы, если не миллиарды лет. Нестабильность некоторых конкретных промежуточных комочков замедляет конвейер синтеза и в звездах тоже, но, когда вы никуда не спешите и времени достаточно, работа все же может быть сделана. Так что, в отличие от ситуации с Большим взрывом, процесс ядерного синтеза в звездах далеко не заканчивается на слиянии водорода с образованием гелия. Звезды, которые достаточно массивны, продолжают сжимать ядра, вынуждая их сливаться с образованием более сложных атомов Периодической системы и выделением в ходе этого процесса значительных количеств теплоты и света. К примеру, звезда, в 20 раз превосходящая Солнце по массе, первые 8 млн лет своего существования будет заниматься синтезом гелия из водорода, а следующий миллион лет посвятит синтезу углерода и кислорода из гелия. После этого — а температура в ядре звезды поднимается еще выше — конвейер непрерывно ускоряется: звезде требуется около тысячи лет, чтобы сжечь свой запас углерода, синтезируя из него натрий и неон; следующие полгода дальнейший синтез производит магний; еще месяц идет синтез серы и кремния; а затем всего за десять дней реакции синтеза сжигают оставшиеся атомы, давая на выходе железо.

Мы сделали остановку на железе не просто так. Из всех видов атомов именно в железе протоны и нейтроны связаны между собой наиболее прочно. Это важно. Если вы попытаетесь строить еще более тяжелые атомы, заталкивая в ядра железа дополнительные протоны и нейтроны, то обнаружите, что ядра железа не проявляют готовности к объединению. В крепких ядерных объятиях ядрá железа удерживается 26 протонов и 30 нейтронов, уже сжатых до предела и высвободивших по пути столько энергии, сколько было физически возможно. Чтобы добавить к ним еще несколько протонов и нейтронов, потребуется приток — а вовсе не отвод — энергии. В результате, когда мы добираемся до железа, звездный синтез и упорядоченное производство все более тяжелых и сложных атомов с попутным выделением теплоты и света останавливается. Как пепел, оставшийся в топке вашего камина, железо уже не может гореть.

А как же тогда все остальные виды атомов с еще более крупными и тяжелыми ядрами, включая и такие полезные в хозяйстве элементы, как медь, ртуть и никель, и такие нежно любимые серебро, золото и платину, и такие экзотически тяжеловесные, как радий, уран и плутоний?

Ученые обнаружили два источника этих элементов. Когда ядро звезды в основном уже превратилось в железо, реакции синтеза перестают излучать направленную вовне энергию — и обеспечивать давление, необходимое для противодействия силе тяжести. Начинается коллапс звезды. Если звезда достаточно массивна, коллапс ускоряется и превращается в имплозию — направленный внутрь взрыв, настолько мощный, что температура ядра стремительно подскакивает; схлопывающееся вещество отскакивает от ядра и порождает мощнейшую ударную волну, которая уносится наружу. А пока эта ударная волна несется от ядра звезды к ее поверхности, она так яростно сжимает ядра, встретившиеся на ее пути, что формируется целая уйма более крупных ядерных образований. В неистовом круговороте хаотического движения частиц могут синтезироваться все тяжелые элементы таблицы Менделеева, а когда ударная волна достигает наконец поверхности звезды, то эта густая атомная мешанина выплескивается в пространство.

Вторым источником тяжелых элементов являются яростные столкновения нейтронных звезд — небесных тел, которые образуются в предсмертных конвульсиях звезд, масса которых приблизительно в 10–30 раз больше массы Солнца. То, что нейтронные звезды состоят в основном из нейтронов — частиц-хамелеонов, способных превращаться в протоны, — благоприятствует строительству атомных ядер, поскольку нужный строительный материал всегда оказывается под рукой в изобилии. Однако существует и препятствие: чтобы образовать атомные ядра, эти нейтроны должны освободиться от мощной гравитационной хватки звезды. Именно здесь пригождается столкновение нейтронных звезд. При ударе в пространство могут быть выброшены целые фонтаны нейтронов, которые, не имея электрического заряда, не испытывают электромагнитного отталкивания и потому легче объединяются в группы. А после того как некоторые из этих нейтронов, изменив, как хамелеоны, зарядный окрас, станут протонами (высвободив при этом электроны и антинейтрино), мы получаем запас сложных атомных ядер. В 2017 г. столкновения нейтронных звезд перестали быть игрушкой теоретиков и перешли в разряд наблюдаемых фактов: исследователи зарегистрировали гравитационные волны, генерируемые таким столкновением (их обнаружили вскоре после самой первой регистрации гравитационных волн, порожденных столкновением двух черных дыр). Шквал аналитических работ установил, что столкновения нейтронных звезд производят тяжелые элементы более эффективно и обильно, чем взрывы сверхновых, так что вполне возможно, что бóльшая часть тяжелых элементов во Вселенной появилась на свет в результате именно этих астрофизических катастроф.

Ассорти из атомов различных видов, синтезированных в звездах и извергнутых при взрывах сверхновых или выброшенных при столкновениях звезд и соединившихся уже в фонтанах частиц, плавает по пространству, где скручивается вместе и объединяется в большие облака газа, которые еще через какое-то время заново слепляются в звезды и планеты, а в конечном итоге — и в нас с вами. Так образуются ингредиенты, из которых состоит все без исключения, с чем вы когда-либо сталкивались.

Подробнее читайте:
Грин, Б. До конца времен: Сознание, материя и поиск смысла в меняющейся Вселенной / Брайан Грин: Пер. с англ. [Натальи Лисовой] — М.: Альпина нон-фикшн, 2021. — 548 с.