Айзек Азимов - Взрывающиеся солнца. Тайны сверхновых
Если водород-2 сталкивается и смыкается с нейтроном, образуется ядро, состоящее из одного протона и двух нейтронов (снова вместе три частицы). В результате получается водород-3.
Водород-3 неустойчив ни при какой температуре, даже при невысокой температуре современной Вселенной, поэтому он претерпевает вечные изменения, даже если он свободен от влияния других частиц или столкновений с ними. Один из двух нейтронов в ядре водорода-3 рано или поздно превращается в протон, и водород-3 становится гелием-3. В теперешних условиях это изменение не слишком быстро: половина ядер водорода-3 обращается в гелий-3 в течение немногим более двенадцати лет. При огромных температурах ранней Вселенной это изменение, несомненно, было более быстрым.
Итак, у нас теперь три типа ядер, устойчивых в современных условиях: водород-1, водород-2 и гелий-3.
Частицы гелия-3 соединяются друг с другом еще слабее, чем частицы водорода-2, и особенно при повышенных температурах ранней Вселенной, у гелия-3 сильная тенденция к распаду или изменениям путем дальнейшего добавления частиц.
Если бы гелию-3 случилось натолкнуться на протон и ему пришлось бы к нему присоединиться, тогда мы имели бы ядро, состоящее из трех протонов и нейтрона. Это был бы литий-4, нестабильный при любой температуре, так как даже в условиях прохладной температуры земной поверхности один из его протонов быстро превращается в нейтрон. В результате получается комбинация два протона — два нейтрона, или гелий-4.
Гелий-4 — очень устойчивое ядро, самое устойчивое при обычных температурах, за исключением единственного протона, образующего водород-1. Однажды сложившись, он почти не имеет тенденции к распаду, даже при очень высоких температурах.
Если гелий-3 сталкивается и соединяется с нейтроном, тут же образуется гелий-4. Если сталкиваются и соединяются два ядра водорода-2, опять же образуется гелий-4. Если гелий-3 сталкивается с водородом-2 или с другим гелием-3, образуется гелий-4, а избыточные частицы отсеиваются как отдельные протоны и нейтроны. Таким образом, гелий-4 образуется за счет водорода-2 и гелия-3.
В сущности, когда Вселенная остыла до температуры, при которой протоны и нейтроны, соединяясь, могли строить более сложные ядра, то первым таким ядром, образовавшимся в большом количестве, был именно гелий-4.
По мере дальнейшего расширения и охлаждения Вселенной водород-2 и гелий-3 все меньше стремились к изменению, а некоторые из них были, так сказать, заморожены для неизменяемого существования. В настоящее время только один атом водорода из каждых 7000 — водород-2; гелий-3 еще реже — только один атом гелия на миллион. Значит, не принимая в расчет водород-2 и гелий-3, мы можем сказать, что вскоре после того, как Вселенная достаточно остыла, ее составляли ядра водорода-1 и гелия-4. Таким образом, масса Вселенной слагалась из 75 % водорода-1 и 25 % гелия-4.
С течением времени в местах, где температура была достаточно низкой, ядра притягивали отрицательно заряженные электроны, которые удерживались при положительно заряженных ядрах силой электромагнитного взаимодействия — вторым сильнейшим из четырех взаимодействий. Единственный протон ядра водорода-1 ассоциировал с одним электроном, а два протона ядра гелия-4 соединялись с двумя электронами. Так формировались атомы водорода и гелия. Выражаясь количественно, на каждую 1000 атомов во Вселенной приходится 920 атомов водорода-1 и 80 атомов гелия-4.
В этом и есть объяснение водородно-гелиевой Вселенной. Но минуточку! Как обстоит дело с атомами тяжелее, чем гелий, и с более высоким атомным весом? (Соберем все атомы, содержащие более четырех частиц в ядрах, под знаком «тяжелые атомы»). Во Вселенной очень мало тяжелых атомов, тем не менее они существуют. Как они появились? Логика подсказывает, что, хотя гелий-4 очень устойчив, все же в нем есть слабая тенденция соединяться с протоном, нейтроном, водородом-2, гелием-3 или с другим гелием-4, образуя небольшие количества различных тяжелых атомов; это и есть источник возникновения примерно 3 % массы сегодняшней Вселенной, состоящей из этих атомов.
К сожалению, такой ответ проверки не выдержит. Если гелий-4 столкнулся бы с водородом-1 (один протон) и они соединились, появилось бы ядро с тремя протонами и двумя нейтронами. Это был бы литий-5. Если гелий-4 столкнулся бы и соединился с нейтроном, в результате появилось бы ядро с двумя протонами и тремя нейтронами, или гелий-5.
Ни литий-5, ни гелий-5, даже сформировавшись в условиях нашей остывшей Вселенной, не просуществуют больше нескольких триллионных долей триллионной доли секунды. Именно за такой период времени они распадутся либо в гелий-4, либо в протон или нейтрон.
Возможность столкновения и слияния гелия-4 с водородом-2 или гелием-3 очень призрачна, учитывая, как редки два последних ядра в первозданной смеси. Любые тяжелые атомы, которые могли образоваться таким путем, слишком немногочисленны, чтобы ими можно было объяснить столь значительное число атомов, существующих сегодня. Более возможно соединение одного ядра гелия-4 с другим ядром гелия-4. Такое сдвоенное ядро, состоящее из четырех протонов и четырех нейтронов, должно стать бериллием-8. Однако бериллий еще одно чрезвычайно нестабильное ядро: даже в условиях нашей сегодняшней Вселенной оно существует менее нескольких сотых триллионной доли секунды. Образовавшись, оно тут же распадается на два ядра гелия-4.
Конечно, что-нибудь дельное и вышло бы, если бы три ядра гёлия-4 встретились в результате «трехходового» столкновения и пристали друг к другу. Но надежда на то, что это случится в среде, где гелий-4 окружен преобладающим над ним водородом-1, слишком мала, чтобы это принять в расчет.
Следовательно, к тому времени, когда Вселенная расширилась и остыла до точки, при которой образование сложных ядер закончилось, в изобилии оказываются только водород-1 и гелий-4. Если остаются свободные нейтроны, они распадаются на протоны (водород-1) и электроны. Никаких тяжелых атомов не образуется.
В такой Вселенной облака водородно-гелиевого газа распадаются на галактического размера массы, и последние сгущаются в звезды и гигантские планеты. В итоге и звезды, и гигантские планеты почти сплошь состоят из водорода и гелия. И есть ли смысл беспокоиться о каких-то тяжелых атомах, если они составляют только 3 % массы и менее 1 % количества существующих атомов?
Есть смысл! Эти 3 % должны быть объяснены. Мы не должны пренебрегать ничтожным количеством тяжелых атомов в звездах и гигантских планетах, потому что такая планета, как Земля, состоит почти исключительно из тяжелых атомов. Больше того, в человеческом теле и вообще в живых существах водород составляет лишь 10 % массы, гелий и вовсе отсутствует. Все остальные 90 % массы — это тяжелые атомы.
Другими словами, если бы Вселенная вскоре после Большого взрыва осталась неизменной и процесс образования ядер был бы завершен, планеты, подобные Земле, да и сама жизнь на ней, в известной форме были бы совершенно невозможны.
Прежде чем нам с вами появиться в этом мире, сначала должны были сложиться тяжелые атомы. Но как?
УТЕЧКА ИЗ ЗВЕЗД
В сущности, для нас это уже не загадка, так как ранее мы уже беседовали о том, как в недрах звезд происходит образование ядер. В нашем Солнце, например в центральных его областях, водород непрерывно преобразуется в гелий (водородный синтез, который служит Солнцу источником его энергии. Водородный синтез осуществляется и во всех других звездах главной последовательности).
Если б это было единственно возможным превращением и этому превращению суждено было длиться неопределенно долго с нынешней его скоростью, то весь водород был бы синтезирован и Вселенная состояла бы из чистого гелия в течение примерно 500 млрд. лет (30 — 40-кратный возраст нашей Вселенной). И все же непонятно появление массивных атомов.
Массивные атомы, как мы теперь знаем, зарождаются в звездном ядре. Но они зарождаются только тогда, когда такой звезде приходит время оставить главную последовательность. К этому климактерическому моменту ядро становится таким плотным и горячим, что ядра гелия-4 ударяются друг о друга с величайшей скоростью и частотой. Время от времени три ядра гелия-4 соударяются и смыкаются в одно устойчивое ядро, состоящее из шести протонов и шести нейтронов. Это углерод-12.
Каким же образом тройное столкновение может произойти в сердцевине звезды сейчас, а не в период непосредственно за Большим взрывом?
Что ж, в ядрах звезд, готовящихся выйти из главной последовательности, температура достигает приблизительно 100 000 000 °C при огромном давлении. Такие температуры и давления присущи и очень молодой Вселенной. Но у сердцевины звезды есть одно важное преимущество: тройному столкновению гелия-4 гораздо легче произойти, если в сердцевине звезды нет никаких других ядер, кроме ядер водорода-1, отгружающих ядра гелия-4.
