|
Хотя Леметр не говорил ничего конкретного о природе «космического яйца», он представлял его себе в виде некоего радиоактивного сверхатома, который распался, как распадаются обычные радиоактивные атомы, но только в неизмеримо больших масштабах. Из частей «космического яйца» образовались современные галактики; но, кроме того, в более мелких масштабах «космическое яйцо», раздробляясь, образовало те атомы, которые мы знаем сегодня. По мнению Леметра, процесс образования атомов шел, так сказать, сверху вниз. Сначала возникли очень массивные атомы, которые в свою очередь распались, образуя менее массивные атомы,— и т. д. вплоть до возникновения устойчивых атомов. Однако такая Вселенная должна была бы состоять в основном из атомов висмута и свинца — наиболее массивных из существующих устойчивых атомов. Это не объясняло преобладания во Вселенной водорода.
Другая теория образования элементов была предложена Гамовым, который изложил ее в 1948 г. совместно с Бете и американским физиком Ральфом Эшером Альфером (род. в 1921 г.).
Согласно предположению Гамова, нейтронное «космическое яйцо» в момент Большого Взрыва с гигантской силой разбилось на отдельные нейтроны, которые быстро распались на протоны и электроны (кстати, отдельные нейтроны распадаются и теперь, период их полураспада составляет 13 мин). Образовавшиеся протоны можно считать ядрами атомов водорода-1.
Образовавшиеся протоны иногда сталкивались с еще сохранившимися нейтронами, и так постепенно создавались более сложные устойчивые атомные ядра. Преимущество этой теории в том, что она использует реакции захвата нейтронов —атомы действительно проявляют такую тенденцию, что можно наблюдать в лаборатории.
Соединяясь, например, с одним нейтроном, протон образовывал бы ядро водорода-2, или дейтерия (1 протон+1 нейтрон). Водород-2, присоединив еще один нейтрон, образовал бы водород-3, или тритий (1 протон + 2 нейтрона). Однако тритий неустойчив. Один из нейтронов его ядра испускает электрон и становится протоном, а все ядро становится ядром гелия-3 (2 протона + 1 нейтрон). Ядро гелия-3 захватывает нейтрон и становится обычным гелием-4 (2 протона + 2 нейтрона). Этот процесс продолжается, и постепенно, путем присоединения одного нейтрона за другим, возникают все элементы.
При невероятно высоких температурах, созданных взрывом «космического яйца», необходимые для этого ядерные реакции, по мнению Гамова, произошли очень быстро — возможно, в первые полчаса. Затем постепенно, по мере понижения температуры, различные ядра начали захватывать электроны, образуя атомы; атомы скоплялись в гигантские газовые облака, которые уносились все дальше от места взрыва «космического яйца» и постепенно сгущались в галактики и звезды.
Естественно, лишь малая часть первоначальных ядер водорода-1 могла столкнуться с нейтронами и образовать водород-2, лишь малая часть водорода-2 претерпела бы новые столкновения с нейтронами, превращаясь в гелий-3 и т. д. Каждый более сложный вид атома оказывался бы более редким, чем предыдущий, чем и можно было бы объяснить тот факт, что в современной Вселенной наблюдается более или менее правильное уменьшение количества атомов но мере увеличения их сложности.
Падение это не абсолютно равномерно. Гелий-4 более распространен, чем водород-2 или гелий-3, а атомы железа-56 гораздо более многочисленны, чем большинство других менее сложных атомов. С другой стороны, простые атомы вроде лития-6, бериллия-9, бора-10 и бора-11 менее распространены в космическом масштабе, чем можно было бы ожидать, учитывая простоту их строения.
Теория Гамова предлагает объяснение и для этого факта. Гелий-4 и железо-56 — атомы чрезвычайно устойчивые. Они лишь с большим трудом переходят в более сложные атомы, а потому постепенно накапливаются в мире. Атомы же лития, бериллия и бора чрезвычайно легко вступают в реакцию и «сгорают».
Теория Гамова объясняет распределение различных атомов в межзвездном веществе. Но как только образуются звезды, в их недрах начинают происходить новые изменения.
Однако в теории Гамова есть одно слабое место, с которым пока еще никто ничего не смог сделать. Атомы должны усложняться, присоединяя нейтроны по одному, но за гелием-4 лежит непреодолимый разрыв. Ядро гелия-4 настолько устойчиво, что не проявляет никакой склонности принимать новый нейтрон или протон. Если же нейтрону все-таки удается присоединиться к ядру гелия-4, то образуется ядро гелия-5 (2 протона + 3 нейтрона), которое примерно за 0,000 000 000 000 000 000 001 сек (одну тысячную одной миллиардной одной миллиардной доли секунды) опять распадается на ядро гелия-4 и один свободный нейтрон. А если к ядру гелия-4 ухитряется присоединиться протон, то образуется ядро лития-5 (3 протона + 2 нейтрона), которое распадается даже еще быстрее и вновь становится ядром гелия-4.
Можно также предположить, что ядро гелия-4 столкнется с другим ядром гелия-4 и они сольются. Вероятность этого события еще меньше, чем вероятность слияния гелия-4 с весьма многочисленными свободными протонами и нейтронами, и все же это тоже не выход. Образуется бериллий-8, который с такой же сверхбыстротой распадается на две альфа-частицы. Другими словами, как только вы, добавляя нейтрон за нейтроном, получите ядро гелия-4, вы сразу оказываетесь в тупике. Между гелием-4 и атомом с массой 5 лежит непреодолимый разрыв, и такой же разрыв — между гелием-4 и атомом с массой 8.
Конечно, не исключена и возможность того, что с ядром гелия-4 столкнутся одновременно две частицы. Если и протон, и нейтрон после такого столкновения присоединятся к ядру, образуется литий-6 (3 протона + 3 нейтрона), который до начала распада просуществует примерно полсекунды — срок, достаточный для продолжения процесса.
К несчастью, в условиях, которые Гамов считает обязательными для первых 30 мин после Большого Взрыва, отдельные ядра рассеяны так далеко друг от друга, что вероятность одновременного столкновения двух частиц с альфа-частицей практически равна пулю. Таким образом, гамовская схема, по-видимому, в состоянии объяснить происхождение только атомов водорода и гелия, но на этом она останавливается.
Этой теории образования элементов противостоит другая теория, которую я принимаю безоговорочно и о которой уже упомянул, когда говорил о втором поколении звезд. Эта теория предложена Фредом Хоилом, который считает, что исходным материалом Вселенной был только водород-1, а все остальные элементы образуются в звездах и попадают в межзвездное пространство при взрывах Сверхновых.
Хойл исходит из тех же процессов, что и Гамов, но с одной существенной разницей. В недрах звезды плотность вещества несравненно выше, чем в межзвездном пространстве. А потому столкновение ядра гелия-4 одновременно с двумя частицами становится гораздо более вероятным, чем в условиях, предусмотренных теорией Гамова. Более того, поскольку недра звезды богаче всего именно гелием-4, существуют вполне реальные шансы одновременного столкновения ядра гелия 4 еще с двумя такими же ядрами, в результате чего образуется ядро углерода-12. Таким образом обходятся устойчивые атомы между гелием-4 и углеродом-12, т.е. упоминавшиеся выше атомы лития, бериллия и бора. Эти легкие атомы будут возникать только в результате более редких вторичных процессов, что в свою очередь объясняет их относительную редкость в современной Вселенной.
Образование элементов в недрах звезд не только позволяет обойти разрыв на уровнях атомов с массой в 5 и 8 единиц; оно подтверждается одним интересным обстоятельством. Спектр некоторых необычных звезд класса S показывает присутствие в них элемента технеция. Технеций — радиоактивный элемент, не имеющий стабильных изотопов. Медленнее всех распадается технеций-99; период его полураспада равен 220 000 лет. По человеческим меркам это долгий срок, но через 5 миллионов лет (а это ничтожная доля жизни обыкновенной звезды) от первоначального запаса технеция 99 сохранится лишь одна миллиардная часть. Отсюда следует, что технеции, обнаруженный спектральным анализом в наше время, не мог существовать в период образования звезды, а возник в ее недрах совсем недавно.
Следовательно, имеющиеся в нашем распоряжении факты свидетельствуют в настоящее время скорее в пользу теории Хойла, а не Гамова, и она вообще выглядит правдоподобнее.
|
