История вещества.

Пролог

На стене в любом кабинете химии и физики висит плакат с периодической таблицей Менделеева (илл. 19). Подобно тому как наш язык состоит из слов, составленных из букв алфавита, все обычное вещество в космосе состоит из химических элементов. Элементы – это вещества, которые нельзя простыми химическими средствами разложить на более простые или модифицировать. Русский химик Дмитрий Менделеев прославился не только тем, что еще в середине XIX века открыл периодические закономерности, которые легли в основу периодической таблицы, но и тем, что у него хватило отваги предсказать свойства элементов, которые еще не были открыты, но должны были занять свободные места в таблице. Во многих отношениях периодическая таблица – символ прогресса, которого достигла наука с тех времен, когда Эмпедокл и Платон предполагали, что вещество состоит из знаменитых четырех стихий – земли, воды, воздуха и огня. Позволю себе курьезное отступление: самое миниатюрное изображение периодической таблицы Менделеева было выгравировано в 2011 году на человеческом волосе. Волос принадлежал профессору Мартину Полякову из Ноттингемского университета в Великобритании, а гравировка была выполнена в университетском нанотехнологическом центре (после чего волос вернули Полякову в подарок на день рождения).

На сегодня периодическая таблица состоит из 118 элементов – самый последний, унуноктий, был синтезирован в 2002 году, – 94 из которых встречаются в естественных условиях на Земле. Если задуматься, это довольно большой набор первичных строительных кирпичиков, а следовательно, сам собою напрашивается вопрос, откуда взялись все эти химические элементы. А можно сформулировать его и иначе: нет ли у этих довольно сложных сущностей более простых составляющих?

Эти вопросы и в самом деле были заданы еще до публикации периодической таблицы. В двух статьях, вышедших в свет в 1815 и 1816 году, английский химик Уильям Праут выдвинул гипотезу, что атомы всех элементов – на самом деле конденсаты разного количества атомов водорода. Астрофизик Артур Эддингтон на основании общих принципов гипотезы Праута и результатов экспериментов, которые получил физик Фрэнсис Астон, сформулировал собственную догадку. В 1920 году Эддингтон предположил, что четыре атома водорода могут каким-то образом объединиться и составить атом гелия. Небольшая разница между общей массой четырех атомов водорода и одного атома гелия, по предположению Эддингтона, должна высвобождаться в виде энергии – согласно знаменитому уравнению Эйнштейна E = mc ², выражающему связь между массой и энергией (где E – энергия, m – масса, а c – скорость света). Эддингтон подсчитал, что тогда Солнце за счет преобразования нескольких процентов своей массы из водорода в гелий может светить миллиарды лет. Менее известен другой факт: примерно в то же время примерно такую же гипотезу выдвинул и французский физик Жан Перрен.

Несколько лет спустя Эддингтон сделал дальнейшие выводы: вероятно, звезды и Солнце – естественные «лаборатории», в которых идут ядерные реакции, преобразующие одни элементы в другие. Когда некоторые физики из лаборатории Кавендиша возразили, что внутренней температуры Солнца недостаточно, чтобы заставить два протона преодолеть электростатическое отталкивание, Эддингтон, как рассказывают, ответил знаменитой фразой: «Так найдите, где жарче». Гипотеза Эддингтона и Перрена знаменовала рождение идеи звездного нуклеосинтеза в астрофизике: представления о том, что по крайней мере некоторые химические элементы можно синтезировать в жарких недрах звезд. Как вы, наверное, уже догадались, Эддингтон был среди самых верных сторонников теории относительности Эйнштейна, особенно общей теории относительности. Как-то раз к Эддингтону подошел физик Людвиг Зильберштейн и сказал, что все считают, будто общую теорию относительности во всем мире понимают лишь три человека, и Эддингтон – один из них. Эддингтон ответил не сразу, и Зильберштейн подбодрил его: «Ну-ну, не скромничайте!» На что Эддингтон проговорил: «Напротив, мне интересно, кто же третий». На илл. 20 приведена фотография Эйнштейна и Эддингтона в Кембридже.

Чтобы узнать, как же дальше развивалась история образования элементов, давайте вспомним некоторые основные свойства атомов. Памятки короче, пожалуй, и не придумаешь. Все обычное вещество состоит из атомов, и у всех атомов в серединке крошечные ядра (радиус атома более чем в 10 000 раз больше радиуса ядра), вокруг которых вращаются электроны, создавая орбитальные облака. Ядро состоит из протонов и нейтронов, почти равных по массе (нейтрон чуть-чуть тяжелее протона), и каждый из них примерно в 1840 раз массивнее электрона. Нейтроны, заключенные в устойчивом ядре, стабильны, а свободный нейтрон нестабилен – в среднем за 15 минут он распадается на протон, электрон и практически невидимую очень легкую электрически нейтральную частицу под названием антинейтрино. Нейтроны в нестабильных ядрах распадаются точно так же.

Самый простой и легкий атом – это атом водорода. Он состоит из ядра, в котором всего один протон. Вокруг этого протона вращается один электрон, вероятность нахождения которого на определенной орбите можно рассчитать средствами квантовой механики. Кроме того, водорода во Вселенной больше всего, он составляет примерно 74 процента всего обычного вещества (его еще называют барионным веществом). Барионное вещество – это вещество, из которого состоят звезды, планеты и мы с вами. Если двигаться по рядам периодической таблицы (илл. 19), с каждым следующим элементом число протонов в ядре возрастает на один, как и количество вращающихся вокруг ядра электронов. Поскольку число протонов равно числу электронов (и их электрические заряды противоположны по знаку и равны по величине), атомы в невозмущенном состоянии электрически нейтральны. За водородом в периодической таблице следует гелий, у которого в ядре два протона. Кроме того, ядро гелия содержит два нейтрона, которые электрически не заряжены. Гелий – второй по количеству элемент во Вселенной, он составляет примерно 24 процента обычного вещества в космосе. Атомы одного и того же химического элемента имеют одинаковое число протонов, и это число называется атомным числом элемента. Атомное число водорода – 1, железа – 26, урана – 92. Общее количество протонов и нейтронов в ядре называется атомной массой. У водорода атомная масса 1, у гелия 4, у углерода 12. Ядра одного и того же химического элемента могут содержать разное количество нейтронов, и они называются изотопами этого элемента. Например, неон, у которого 10 протонов, может образовывать изотопы с 10, 11 и 12 нейтронами в ядре. Изотопы принято обозначать так: ²⁰Ne, ²¹Ne и ²²Ne. Подобным же образом водород (один протон, ¹H) встречается в природе и в виде изотопа дейтерия (один протон и один нейтрон в ядре, ²H), и в виде изотопа трития (один протон и два нейтрона в ядре, ³H).

Вернемся к основной проблеме синтеза различных элементов. Физики первой половины ХХ века столкнулись с рядом вопросов, связанных с периодической таблицей. Во-первых и в-главных, как формируются все эти элементы? Однако были и другие вопросы: почему одни элементы, например, золото или уран, встречаются очень редко (и потому-то и стоят так дорого), а другие, например, железо или кислород, распространены гораздо больше (кислород встречается примерно в сто миллионов раз чаще золота)? А еще – почему звезды состоят в основном из водорода и гелия?

Представления о процессе формирования элементов с самого начала были тесно связаны с колоссальными энергетическими запасами звезд. Вспомним, что еще Гельмгольц и Кельвин предположили, что энергия Солнца вырабатывается благодаря медленному сжатию и связанному с ним высвобождению гравитационной энергии. Однако, как ясно показал Кельвин, этот запас обеспечил бы солнечное излучение лишь на ограниченное время – не более чем на несколько десятков миллионов лет. А подобные ограничения прискорбным образом противоречили геологическим и астрофизическим данным, которые все точнее и точнее показывали, что и Земле, и Солнцу уже несколько миллиардов лет. Эддингтону было прекрасно известно о подобном вопиющем несоответствии. В обращении к съезду Британской ассоциации в Кардиффе 24 августа 1920 года он сделал следующее пророческое заявление:

«Гипотеза о сжатии Солнца жива лишь благодаря инерции традиций – и даже не столько жива, сколько еще не похоронена. Но раз уж мы решили предать ее мертвое тело земле, давайте честно и откровенно признаем, в каком положении мы очутились. Звезда черпает энергию из какого-то обширного источника, о котором мы не имеем ни малейшего представления. Между тем этот источник, скорее всего, состоит из субатомной энергии, которая, как известно, в изобилии содержится в любом веществе (выделено мной. – М. Л.).»

Несмотря на энтузиазм вокруг идеи, что звезды черпают энергию из четырех ядер водорода, которые сливаются воедино и образуют атом гелия, Эддингтон не мог придумать конкретного механизма, необходимого для обеспечения этого процесса. В частности, оставалась нерешенной проблема электростатического отталкивания, о которой мы уже говорили. Препятствие заключается вот в чем: два протона (ядра атомов водорода) отталкиваются друг от друга, поскольку оба несут положительные электростатические заряды. Эта сила, так называемая сила Кулона (в честь французского физика Шарля Огюстена де Кулона), действует на любом расстоянии, поэтому служит доминирующей силой, действующей между протонами на расстояниях больше размера атомного ядра. Однако внутри ядра верх берет мощная ядерная сила притяжения, которая способна преодолеть электростатическое отталкивание. Следовательно, чтобы протоны в ядрах звезд соединялись друг с другом, как представлял себе Эддингтон, нужно, чтобы в их беспорядочном движении у них была достаточно большая кинетическая энергия, иначе они не смогут преодолеть кулоновский барьер и не смогут взаимодействовать посредством ядерной силы притяжения.

Слабое место гипотезы Эддингтона состояло в том, что расчетная температура в центре Солнца была недостаточной, чтобы снабдить протоны необходимой энергией. В классической физике это означало бы смертный приговор для подобного сценария: частицы с недостаточной энергией не могли бы преодолеть барьер, и все тут. К счастью, на помощь пришла квантовая механика – теория, описывающая поведение субатомных частиц и света. Согласно квантовой механике, частицы могут вести себя как волны, и все процессы по сути своей вероятностны. У волны, в отличие от частицы, нет точного положения в пространстве, она в нем распространяется. Точно так же как некоторые океанские волны, бьющиеся о волнолом, перехлестывают через него, есть некоторая (небольшая) вероятность, что даже протоны, энергии у которых, по классическим представлениям, недостаточно, чтобы преодолеть кулоновский барьер, все равно будут взаимодействовать. Опираясь на квантово-механический эффект туннелирования, физик Георгий Гамов – и независимо от него две группы исследователей, одна под руководством Роберта Аткинсона и Фридриха Хоутерманса, другая – во главе с Эдвардом Кондоном и Рональдом Гарни – в конце 1920 годов показали, что при условиях, превалирующих в недрах звезд, протоны и в самом деле могут соединяться.

Первыми вывели, какие именно ядерные реакции обеспечивают слияние четырех атомов водорода в одно ядро гелия, физики Карл Фридрих фон Вайцзеккер в Германии и Ганс Бете и Чарльз Кричфилд в США. В замечательной статье, опубликованной в 1939 году, Бете рассказал о двух возможных способах производства энергии, при которых водород преобразуется в гелий. Первый называется протон-протонный цикл: сначала два протона объединяются в дейтерий – изотоп водорода с одним протоном и одним нейтроном в ядре, – после чего они захватывают один дополнительный протон, и дейтерий превращается в изотоп гелия. Второй механизм, углеродно-азотный цикл, – это циклическая реакция, в ходе которой ядра углерода и азота играют роль исключительно катализаторов. В итоге опять же происходит слияние четырех протонов, которые формируют одно ядро гелия, и это сопровождается высвобождением энергии. Первоначально Бете полагал, что Солнце производит энергию главным образом через углеродно-азотный цикл, однако эксперименты в Радиационной лаборатории Келлога в Калифорнийском технологическом институте впоследствии показали, что в основном энергию Солнца обеспечивает протон-протонный цикл, а углеродно-азотный цикл доминирует в производстве энергии лишь в более массивных звездах.

Наверное, вы заметили, что само название углеродно-азотного цикла предполагает присутствие атомов углерода и азота в качестве катализаторов. Однако теория Бете не сумела показать, как именно сформировались во Вселенной эти самые углерод и азот, откуда они взялись. Бете размышлял над вероятностью, что углерод мог быть синтезирован из трех ядер гелия (ядро гелия состоит из двух протонов, а ядро углерода из шести). Однако, завершив расчеты, Бете сделал вывод, что «при нынешних условиях [то есть при плотностях и температурах, наблюдаемых в большинстве звезд, подобных Солнцу] нет никакой возможности постоянно производить в недрах звезд ядра тяжелее гелия». Поэтому вердикт Бете был таков: «Приходится признать, что более тяжелые [чем гелий] элементы были созданы до того, как звезды достигли нынешней температуры и плотности».

Вокруг этого заявления Бете разгорелись жаркие споры, поскольку астрономы и геофизики в то время полагали, что разные химические элементы по большей части должны иметь общее происхождение. В частности, тот факт, что атомы наподобие углерода, кислорода, азота и железа, судя по всему, распределены равномерно по всей галактике Млечный Путь, явно указывает на какой-то вселенский процесс формирования. Следовательно, чтобы принять вердикт Бете, физикам нужно было выяснить, в каком таком общем котле варились элементы до того, как звезды пришли в нынешнее равновесное состояние.

Казалось, теория завела в тупик и сейчас у всех опустятся руки, но тут неугомонный Георгий Гамов (которого друзья и коллеги звали Гео) и его студент Ральф Альфер высказали блистательную на первый взгляд мысль: что если элементы были созданы тогда, когда Вселенная пребывала в первоначальном состоянии и была очень плотной и горячей – то есть в момент Большого взрыва? Сама по себе концепция была до гениальности проста. В момент сверхплотного первичного фейерверка, по мнению Гамова и Альфера, вещество состояло из сильно сжатого нейтронного газа. Это первичное состояние они назвали илем – от древнегреческого yle и средневекового латинского hylem – «материя». Все эти нейтроны стали распадаться на протоны и электроны, и тогда и могли возникнуть все более тяжелые ядра – они последовательно захватывали по одному нейтрону из оставшегося океана нейтронов (а эти нейтроны впоследствии распадались на протоны, электроны и антинейтрино). Таким образом атомы, как предполагалось, стройными рядами двигались по таблице Менделеева, с каждым захваченным нейтроном взбираясь на ступеньку выше. Как предполагалось, весь этот процесс контролируется, с одной стороны, вероятностью, что конкретное ядро захватит еще один нейтрон, а с другой – расширением Вселенной (которое было открыто в конце 1920 годов, о чем мы поговорим в следующей главе). Космическое расширение вызвало общее уменьшение плотности материи со временем, а поэтому темпы ядерных реакций тоже снизились. Ральф Альфер, в то время аспирант Гамова, выполнил большую часть расчетов, и результаты были опубликованы в номере «The Physical Review» за 1 апреля 1948 года (Гамов любил выпускать статьи в День дурака). Остроумец Гео подметил, что если он возьмет в соавторы статьи Ганса Бете (который на тот момент вообще не участвовал в его расчетах!), то три фамилии – Альфер, Бете, Гамов – будут соответствовать трем первым буквам греческого алфавита – альфа, бета, гамма. Бете согласился поставить свое имя, и эту статью часто так и называют – «алфавитная статья». В том же году Альфер в сотрудничестве с физиком Робертом Германом работал над расчетом температуры реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва, которое теперь называют космическим микроволновым фоновым излучением. Гео, который всю жизнь был страстным любителем каламбуров, в своей книге «Сотворение Вселенной» (G. Gamow. The Creation of the Universe) шутит, что Роберт Герман «упорно отказывался менять фамилию на Дельтер [чтобы соответствовать четвертой букве греческого алфавита дельте]».

Хотя схема Альфера и Гамова была очень красива, вскоре стало очевидно, что хотя нуклеосинтез в раскаленном «эпицентре» Большого взрыва и вправду мог обеспечить относительно много изотопов водорода и гелия (а также немного лития и еле заметное количество бериллия и бора), когда речь заходила о создании еще более тяжелых элементов, возникала череда неразрешимых проблем. Их суть легко понять, если прибегнуть к простой механической метафоре: очень трудно взбираться по лестнице, когда не хватает некоторых ступеней. В природе нет стабильных изотопов с атомной массой 5 и 8. То есть стабильные изотопы гелия имеют атомную массу лишь 3 и 4, стабильные изотопы лития – 6 и 7, единственный по-настоящему стабильный изотоп бериллия имеет атомную массу 9 (а с атомной массой 10 он всего лишь долгоживущий) и т. д. Атомных масс 5 и 8 нет. Следовательно, гелий (атомная масса 4) не может захватить еще один нейтрон и создать ядро, которое оказалось бы достаточно долгоживущим, чтобы продолжить алгоритм захвата нейтрона. Такие же сложности возникают и у лития из-за пропуска на месте атомной массы 8. Пропуски в череде атомных масс досадным образом мешали прогрессу по алгоритму Гамова и Альфера. Даже великий физик Энрико Ферми, совместно с коллегой довольно подробно изучив эту проблему, с огорчением отметил, что синтез во время Большого взрыва «не может объяснить, как были сформированы элементы».

Вывод Ферми, что углерод и более тяжелые элементы не могли возникнуть во время Большого взрыва, в сочетании с утверждением Бете, что эти элементы не могут создаваться в звездах и в Солнце, привел к неразрешимой, казалось бы, загадке: как же синтезировались тяжелые элементы?

Именно в этот момент на сцену и вышел Фред Хойл.