Происхождение (почти) всего

Издательство «Corpus» представляет книгу Грэма Лоутана «Происхождение (почти) всего» (перевод Анастасии Бродоцкой).

«Происхождение (почти) всего»» — поучительная и яркая книга редактора журнала New Scientist Грэма Лоутона. Предисловие к ней написал Стивен Хокинг. Каждый рассказ снабжен великолепной инфографикой. Здесь повествуется действительно о происхождении почти всего — нашей Вселенной, планеты, жизни, цивилизации, знания, многих изобретений, прочно вошедших в жизнь современного человека (туалетной бумаги, клавиатуры, Интернета). Автор не только бешено расширяет кругозор читателя, но и не дает заскучать ни на секунду. Вы, например, знали, что один химик три года всерьез занимался научным исследованием вопроса, откуда берется пушок в пупке?

«Когда я только начал составлять список всего, что должно войти в эту книгу, что-то показалось мне очевидным — например, ясно было, что нельзя обойтись без Большого взрыва, происхождения жизни и эволюции человека. Другим богатым источником идей стало зарождение человеческой цивилизации. Пятнадцать тысяч лет назад наши предки были кочевыми охотниками-собирателями, а теперь мы живем в домах, покупаем еду в супермаркетах и путешествуем по миру на машинах. Как так получилось? Однако не всё было так однозначно, и я признателен своим гениальным коллегам из журнала New Scientist и издательства John Murray за некоторые эксцентричные предложения — среди моих любимых нуль, почва и личная гигиена. В длинный список идей, которые сюда не вошли, попали, например, происхождение крикета и торта-мороженого. Может быть, когда-нибудь я напишу "Происхождение (почти) всего остального"», — рассказывает автор книги.

Предлагаем вам фрагмент рассказа Грэма Лоутона о происхождении химических элементов.

Представьте себе, что, когда вам исполнился годик, вы получили довольно странный подарок — ампулу с водородом. Через год вам подарили немножко гелия, еще через год — кусочек лития. В день совершеннолетия — в двадцать один год — вы стали счастливым обладателем скандия. На сорокалетие получили кусочек кристаллического циркония. Если доживете до девяноста двух, получите уран. Но чтобы коллекция стала полной, придется протянуть гораздо дольше. А именно — до ста восемнадцати.

Именно столько нам известно химических элементов — пестрой мешанины из твердых тел, жидкостей и газов, металлов и неметаллов, редких и распространенных, полезных и не очень. Всё это — строительный материал химии и жизни. Но откуда все они взялись?

Простейший ответ — в результате Большого взрыва. Но он нас не удовлетворит, поскольку сам взрыв породил лишь три самых легких элемента — водород, гелий и чуточку лития. А как же остальные?

Для полного ответа нужно знать, из чего состоят атомы, а также владеть азами арифметики. Самый простой атом — водород, он состоит из одного протона и одного электрона. Следующие по сложности — дейтерий и тритий, представляющие собой водород с добавлением одного или двух нейтронов. Потом идет гелий, у него всего по два. Затем — литий, у него по три. Здравый смысл подсказывает, что большие элементы можно делать, если сплавлять вместе маленькие. Именно так они и образуются.

Большое сжатие

Но всё не так просто. Подобные реакции затруднены, поскольку для того, чтобы сплавить два ядра, надо очень много энергии. Требуются астрономические температуры — минимум десять миллионов градусов. Мест, удовлетворяющих таким условиям, во Вселенной всего два: сразу после Большого взрыва и внутри звезд.

Первая фаза создания элементов (первичный нуклеосинтез) началась сразу после Большого взрыва. За сотую долю секунды из огненного шара возникли протоны, нейтроны и электроны. Через несколько секунд протоны с нейтронами начали объединяться, поскольку колоссальная энергия огненного шара слепляла их вместе так называемым сильным взаимодействием. Эти реакции нуклеосинтеза и сформировали ядра дейтерия, которые провзаимодействовали с другими протонами, образовав стабильные ядра гелия.

Но к тому времени, как появился гелий, температура упала так низко, что дальнейший нуклеосинтез уже не мог идти нужными темпами. Возможно, возникло немного лития, но ничего более тяжелого. Нуклеосинтез закончился, едва начавшись.

Очень тяжелые металлы
Элементы тяжелее урана на Земле стали известны лишь в начале 1940-х годов, когда химики создали плутоний и нептуний в результате бомбардировки урана нейтронами. После этого в лабораториях синтезировали еще 24 трансурановых элемента. Самый тяжелый из них — оганесон, 118-й элемент. Часто считают, что все трансурановые элементы полностью искусственны, но это не так. Они создаются при взрывах сверхновых, как и обычные тяжелые элементы. Однако они нестабильны и склонны быстро распадаться. Те, что возникли естественным образом, с момента формирования Солнечной системы давно уже полностью распались, поэтому и не встречаются вне земных лабораторий.

Примерно 377 000 лет спустя все возобновилось. Температура упала примерно до 3000 градусов — стало достаточно прохладно, чтобы существовали атомы. Ядра водорода и гелия подобрали свободные электроны, чтобы сформировать первые полные атомы — элементы номер 1 и 2.

Они и сейчас составляют более 99 % видимой части Вселенной, но всё же это не единственные ее компоненты. Чтобы создать более тяжелые и более интересные элементы, потребовались звезды. Звезда возникает, когда большая масса газа сжимается под собственной тяжестью. От сжатия температура в ее центре растет, и в конце концов начинается нуклеосинтез. Первая реакция идет примерно при 10 миллионах градусов — это синтез ядер водорода, из которых, пока они не кончатся, образуется гелий.

Неустанный синтез

Что будет дальше, зависит от массы звезды. Если она очень маленькая, синтез прекращается, а ядро звезды просто превращается в белый карлик. Но если звезда в восемь и больше раз массивнее Солнца, синтез продолжится. Ядра гелия соединяются и образуют бериллий (4-й элемент), а тот еще взаимодействует с гелием и образует углерод и кислород. В недрах самых массивных звезд так жарко, что углерод и кислород сплавляются дальше — и получаются всё более тяжелые элементы вплоть до железа (26-го). После этого реакции останавливаются, поскольку у железа из всех элементов самое стабильное ядро и при таких условиях ни во что не перегорает. Но во внешних слоях звезды идут другие ядерные реакции с захватом нейтронов, так что постепенно строятся ядра еще более тяжелых элементов вплоть до висмута (83-го).

Когда в недрах звезды накапливается железо, дни ее сочтены. Она больше не может производить энергию нуклеосинтезом, а гравитация продолжает сжимать ее ядро, повышая температуру до миллиардов градусов. Центр звезды внезапно схлопывается, внешние слои сваливаются внутрь, а потом разлетаются, и вещество звезды разносится в пространстве — происходит взрыв сверхновой. Этот взрыв порождает поток нейтронов, создающий еще более тяжелые элементы вплоть до урана (92-го), самого тяжелого естественного элемента, встречающегося на Земле, и даже тяжелее. Сверхновая зашвыривает далеко в космос много разного мусора, который затем входит в состав звезд и планет следующих поколений, в том числе и в нашу.

Звездным происхождением не могут похвастаться только три элемента — литий, бериллий и бор. Их ядра нестабильны и в ходе реакций в недрах звезд сразу расходуются. Они встречаются редко, но все их скудные существующие запасы (кроме лития, оставшегося после Большого взрыва), как считается, возникли благодаря космическим лучам — довольно крупным ядрам, которые движутся сквозь космическое пространство на высоких скоростях. Их энергия так высока, что, когда они сталкиваются с другими атомами, ядра разбиваются на более мелкие фрагменты.

Так что, не считая искусственных элементов, все атомы на Земле — либо результат Большого взрыва, либо фрагменты давно погибших звезд, либо космические лучи. А когда и наша собственная звезда умрет, их вышвырнет обратно в космос, и там они, вероятно, сгустятся в новую солнечную систему. Блистательное возвращение на сцену!