Нил Тайсон - История всего
Что для вас значит периодическая таблица химических элементов? Если вы не отличаетесь от большинства школьников, вы наверняка помните огромную таблицу на стене своего класса, украшенную таинственными ячейками. Некие загадочные буквы и символы в ее прямоугольниках ассоциировались с лабораториями, в которые незачем заходить без явной на то причины. Но для тех, кому знакомы ее секреты, эта таблица — книга рассказов о космической жестокости, в результате которой ее компоненты, собственно, и появились на свет. В периодической таблице перечислены все известные человечеству природные элементы Вселенной, выстроенные от малого до великого по мере увеличения количества протонов, приходящихся на ядро каждого из них. Два самых легких элемента — это водород (один протон на ядро) и гелий (два). Как верно подметили четверо авторов той самой статьи 1957 года, при наличии должных условий — температуры, плотности и давления — звезда может использовать свои запасы водорода и гелия того, чтобы собрать из них все остальные элементы периодической таблицы.
Подробности этого созидательного процесса и прочих взаимодействий, которые ведут не к созданию, а к распаду ядер, составляют собой основу науки ядерной химии. Она занимается тем, что устраивает и использует «сечения столкновений», чтобы измерить, как близко одна частица должна оказаться к другой, чтобы они могли вступить в какое-либо существенное взаимодействие. Физики могут запросто рассчитать сечения столкновений для бетономешалок или огромных жилых трейлеров, путешествующих по улице в кузове эвакуатора, а вот проанализировать поведение крошечных ускользающих от внимания субатомных частиц уже в разы труднее. Уверенное понимание концепции сечения столкновения позволяет физикам прогнозировать скорость ядерных реакций и их динамику. Нередко небольшие неясности в сверочных таблицах значений этих сечений приводят ученых к вопиюще ошибочным заключениям. Трудности, которые им приходится преодолевать, можно сравнить с попытками ориентироваться в метро одного города, вооружившись схемой метро другого: при всей корректности вашей базовой теории любой нюанс ситуации может оказаться критическим.
Несмотря на то что ученые ничего не знали о сечениях столкновений, в первой половине XX века они на протяжении долгого времени подозревали, что если и есть во Вселенной место экзотических ядерных процессов, то ядра звезд для них — самый подходящий вариант. В 1926 году британский астрофизик-теоретик сэр Артур Эддингтон опубликовал статью, которая называлась «Внутреннее строение звезд» (The Internal Constitution of the Stars). В ней он доказывал, что лаборатория им. Кавендиша, бывшая ведущим центром по исследованиям в области атомной и ядерной физики, не может быть единственным местом во Вселенной, где умеют переплавлять одни элементы в другие.
«Но возможно ли признать, что такое преобразование происходит? Утверждать это непросто, но отрицать, что это происходит, пожалуй еще сложнее… и если что-то можно совершить в лаборатории Кавендиша, вряд ли так уж сложно повторить это внутри Солнца. Думаю, что предположение о том, что звезды — плавильные котлы, в которых более легкие атомы, взятые из туманности, соединяются в более сложные элементы, в целом должно поддерживаться»[41].
Статья Эддингтона, которая предвосхитила более подробные исследования Бербидж, Бербиджа, Фаулера и Хойла, вышла на несколько лет раньше открытия квантовой механики, без которой наше понимание физических свойств атомов и атомных ядер было бы, мягко говоря, жалким. Словно пророк, Эддингтон сформулировал подобие сценария для создания звездной энергии с помощью термоядерного синтеза водорода и гелия.
«Нам не следует привязываться к реакции образования гелия из водорода как к единственно возможному источнику энергии для звезды, хотя что-то подсказывает, что для дальнейших этапов создания химических элементов характерно гораздо меньше выделения и гораздо больше поглощения энергии. Позицию можно сформулировать следующим образом: атомы всех элементов состоят из атомов водорода, прочно связанных друг с другом, и, вероятно, когда-то они были образованы из водорода; нутро звезды — столь же подходящее место для свершения эволюции, как и любое другое»[42].
Любая модель преобразования элементов должна объяснять то их разнообразие, которое мы наблюдаем на Земле и в других регионах Вселенной. Для этого физикам требовалось найти некий фундаментальный процесс, который позволял бы звездам извлекать энергию из процесса переплавки одних элементов в другие. К 1931 году, когда теории квантовой механики уже вполне оформились (хотя еще не были открыты нейтроны), другой британский астрофизик, Роберт д'Эскур Аткинсон, опубликовал подробную статью, которая предлагала читателю «теорию синтеза звездной энергии и происхождения элементов… в которой различные химические элементы постепенно создаются из более легких внутри самих звезд с помощью успешной переработки протонов и электронов одного за другим».
В том же году американский ядерный химик Уильямс Д. Харкинс опубликовал статью, в которой отметил, что «элементы с низким атомным весом (помните? речь о количестве протонов и нейтронов в каждом ядре) имеются в природе в гораздо большем изобилии, нежели тяжелые элементы, а элементы с четными атомными числами (по количеству протонов в атомном ядре) в среднем встречаются примерно в десять раз чаще, чем элементы с нечетными атомными числами, но примерно того же достоинства». Харкинс выражал догадку; что относительное изобилие ряда элементов скорее зависит от ядерного синтеза, чем от такого: химического процесса, как возгорание, и что более химические элементы наверняка получились из более легких.
Подробности механики самого процесса термоядерного синтеза, протекающего в звездах, могли бы в результате объяснить наличие в космосе многих элементов, особенно тех, которые получаются каждый раз, когда вы прибавляете ядро гелия с двумя протонами и двумя нейтронами к тому элементу, который получили на предыдущем этапе синтеза. Такие элементы и представляют собой те самые изобилующие с «четными атомными номерами», о которых говорил Харкинс. Однако существование и относительные количества многих других элементов так и оставались необъясненными. Значит, сборка элементов по кирпичикам в космосе происходила по какому-то другому принципу.
Нейтрон, который был открыт в 1932 году британским физиком Джеймсом Чедвиком во время работы в тех же лабораториях им. Кавендиша, играет важнейшую роль в ядерном синтезе — роль, какую Эддингтон себе и вообразить не мог. Собрать что-то из протонов — это большой труд, ведь они естественным образом отталкивают друг друга, как и все одинаково заряженные частицы. Чтобы соединить протоны, нужно приблизить их друг к другу на достаточно малое расстояние (как правило, это делается при воздействии высоких температур, давления и плотности), позволяющее преодолеть их природную взаимную неприязнь, — и тогда сильное ядерное взаимодействие привяжет их друг к другу. Нейтрон, однако, не имея заряда, не отталкивает от себя другие частицы, поэтому он может запросто проследовать в атомное ядро и присоединиться к банкету собравшихся там частиц, удерживаясь на месте благодаря той же силе, что удерживает там и протоны. В итоге новый элемент не образуется, ведь этого в ядре нужно изменить количество протонов. Но, добавляя нейтрон, мы создаем «изотоп» ядра исходного элемента, который лишь немного отличается от своего прототипа, так как даже суммарный электрический заряд у него остается тем же. В некоторых случаях свежепойманный нейтрон, стоит добавить его к ядру, оказывается нестабильном: тогда он спонтанно преобразует сам себя в протон (который уже вполне стабилен и не покидает ядро) и в электрон (который тут же покидает данную систему частиц). Именно таким образом, словно внутри Троянского коня, протоны могут проникать в атомные ядра под видом нейтронов.
Если стабильный поток нейтронов не иссякает, каждое ядро может успеть поглотить немало нейтронов, прежде чем первый из распадется на протон и электрон. Такие «быстро усвоенные» нейтроны помогают образовать группу элементов, происхождение которых отождествляется с «быстрым процессом захвата нейтронов» и которые отличаются от тех элементов, что образуются за счет медленной подачи в их ядро нейтронов (когда каждый последующий нейтрон попадает в ядро только после того, как предыдущий распадется на протон и электрон).
Обе модели захвата нейтронов — быстрая и медленная — в ответе за создание множества элементов, которые не могут сформироваться в процессе традиционного термоядерного синтеза. Все остальные элементы в природе могут быть получены за счет еще ряда процессов, в том числе сталкивания на огромной скорости сильно заряженных фотонов (гамма-излучение) с ядрами тяжелых атомов, которые затем распадаются на несколько меньших по размеру.
