Вселенная внутри нас: что общего у камней, планет и людей - Шубин Нил (читать книги онлайн полностью без регистрации .txt) 📗
В формуле Эйнштейна E = mc2 заключен ключ к пониманию тех давних событий. Это уравнение описывает связь между энергией и массой. Поскольку скорость света велика, для получения небольшой массы требуется огромная энергия. Верно и обратное: исчезающе малое количество массы можно превратить в гигантское количество энергии.
Спустя одну триллионную секунды после Большого взрыва Вселенная имела размер бейсбольного мяча. Заключавшаяся в ней энергия была источником возникновения огромной массы. По мере расширения пространства в соответствии с законом Эйнштейна энергия превращалась в массу, в данном случае в короткоживущие частицы. В этой горячей и маленькой Вселенной все было нестабильным: частицы возникали, сталкивались и распадались, снова и снова, триллионы раз.
На том этапе развития Вселенной существовали частицы двух видов: вещество и антивещество (материя и антиматерия). Эти сущности с противоположными свойствами аннигилируют при контакте. По мере превращения энергии в массу частицы вещества и антивещества сталкивались, едва успев образоваться. Большинство столкновений приводило к полному исчезновению частиц. Но если бы это было только так, ни нас, ни Земли, ни Млечного пути просто не существовало бы. Частицы разрушались бы с той же скоростью, что и возникали. Совсем небольшого (около миллиардной доли процента) преобладания вещества над антивеществом было достаточно для того, чтобы вещество одержало верх. Физик Лоуренс Максвелл Краусс однажды заявил, что все мы являемся прямыми потомками не только наших дедушек и бабушек, но и этого ничтожного перевеса вещества над антивеществом.
Через секунду во Вселенной появились, хоть и ненадолго, частицы, которые мы уже смогли бы опознать. Это был набор субатомных частиц, возникающих на краткий миг в самых мощных атомных ускорителях: лептоны, бозоны, кварки и подобные им.
Через три с небольшим минуты после зарождения Вселенной начала складываться одна из несущих опор мира (а также страх и ужас школьников) — периодическая система. В периодической таблице химические элементы расположены в соответствии с массой их ядра. Таблица того далекого времени чрезвычайно обрадовала бы современных учащихся, поскольку в ней было всего две ячейки, занятые водородом и гелием (возможно, еще существовало немного лития).
Водород и гелий остаются самыми распространенными элементами во Вселенной: водород составляет примерно 90 % материи, гелий — около 5 %. На долю всех остальных элементов, из которых состоим мы и которыми мы обмениваемся со звездами, приходятся ничтожные доли процента.
Через триста тысяч лет Вселенная остыла и расширилась настолько, что появились настоящие атомы. Электроны заняли орбиты вокруг ядер. Эта комбинация ядер и электронов стала основой реакций, определяющих каждый момент нашей жизни. Мы живем в мире электронов, обмен которыми происходит за миллионные доли секунды. Я пишу эту книгу, а вы ее читаете за счет энергии, высвобождающейся в результате этого беспрерывного обмена. Молекулы в наших телах в ходе различных взаимодействий постоянно обмениваются мельчайшими заряженными частицами. Некоторые перемещения электронов сопровождаются выделением энергии, например реакции с участием кислорода. Другие реакции служат для связывания атомов в молекулы или молекул между собою. Эти процессы определяют связь между атмосферой планеты, ее климатом и метаболизмом всех живых существ. Когда вы едите яблоко, электроны из его атомов через реакции метаболизма проникают в ваши клетки. В яблоко электроны попали из минералов почвы и из воды, пролившейся на землю в виде дождя. Электроны из обоих источников уже бесконечно долго циркулируют в мире. Они возникли задолго до появления нашей планеты, Солнечной системы, даже звезд.
В процессе охлаждения и расширения Вселенной мельчайшие частицы стали образовывать ядра, ядра с электронами образовали атомы, а различные атомы смогли, наконец, вступать во взаимодействие, столь необходимое для формирования более крупных частиц. Постепенно начинала все большую роль играть гравитация.
Примерно миллион лет спустя после Большого взрыва Вселенная остыла и расширилась до такой степени, что начали возникать частицы материи достаточно большого размера, чтобы форма вещей в значительной мере стала определяться силами гравитации. Под влиянием разных сил установился определенный порядок: сила гравитации заставляет тела сближаться, а тепло и более загадочные силы вроде темной энергии вызывают отталкивание. Эта связь определила тот порядок вещей, который мы наблюдаем во Вселенной — от формы облаков газа и звезд до формы галактик и планет. Более того, эта связь объясняет эволюцию самой химии от таблицы с двумя элементами до таблицы с сотней элементов.
Как из двух элементов, существовавших 13,69 миллиарда лет назад, возник мир атомов, из которых сформированы наша планета и наши тела? По мере нашего перемещения по периодической таблице от более легких элементов вроде водорода и гелия к более тяжелым, таким как углерод и кислород, ядра становятся все тяжелее. При определенных условиях два маленьких ядра могут объединиться, образовав одно крупное. Арифметика этого процесса зависит от физических свойств конкретных ядер. В большинстве случаев 1 + 1 не равно 2: результат объединения ядер не равен их сумме. Часто новое ядро легче суммы составляющих его ядер, так что при слиянии ядер некоторая часть вещества теряется. Но, как следует из уравнения Эйнштейна, вещество на самом деле не исчезает: оно превращается в энергию. Таким образом, при термоядерных реакциях может образовываться огромное количество энергии.
Люди пытались использовать эту энергию, но в обычных условиях ядра самопроизвольно не сливаются. Нужно затратить много энергии, чтобы запустить такую реакцию. Используя этот принцип, создатель водородной бомбы Эдвард Теллер сконструировал первый термоядерный реактор, соединив аппарат, в котором осуществлялось слияние ядер, с атомной бомбой. Атомная бомба поставляет энергию, выделяющуюся в результате расщепления атомного ядра. Для запуска этой реакции требуется немного энергии. На атолле Эниветок, одном из Маршалловых островов, Теллер и его коллега Станислав Мартин Улам установили систему под кодовым названием «Айви Майк» (Ivy Mike), сопоставимую по размерам с небольшим заводом. В ходе испытаний в ноябре 1952 года энергия взрыва атомной бомбы способствовала слиянию атомов водорода в реакторе, в результате чего последовал мощный взрыв. Теллер следил за происходящим у сейсмографа в подвале геологического факультета Калифорнийского университета в Беркли. После взрыва атолл Эниветок полностью оголился, в его центре образовалась дыра диаметром полтора километра. Фрагменты коралловых рифов разлетелись на расстояние до двадцати пяти километров. Изучая обломки, ученые обнаружили, что энергия взрыва вызвала слияние некоторых крупных ядер, в результате чего возникли новые элементы, прежде не встречавшиеся на планете. Их назвали эйнштейнием и фермием — в честь Эйнштейна и Ферми, идеи которых помогли понять, какая энергия таится внутри атомов.
Термоядерные реакции являются основным источником энергии звезд. Но между небесными телами и бомбой Теллера — Улама существует принципиальное различие: для запуска термоядерной реакции Теллер использовал атомную бомбу, тогда как реакции внутри звезд происходят за счет гравитации.
Доказательства существования этих реакций можно увидеть и сегодня. Если в подходящую погоду, пользуясь боковым зрением, достаточно долго рассматривать созвездие Орион, сконцентрировавшись на трех звездах в его «поясе», то можно увидеть размытое светящееся пятно, известное как Большая туманность Ориона. Если навести на него телескоп, туманность приобретет структуру и станет похожей на большое облако с несколькими некрупными звездами внутри. Эта туманность представляет собой огромное облако газа и, примерно как первичная Вселенная, дает начало новым звездам, которых насчитывается около семисот. Конечно, учитывая расстояние от нас до этой туманности, мы смотрим на фотографии новорожденных звезд примерно с тысячелетним опозданием.
