>> << >>
Главная Выпуск 16 NewConcepts Chapters

Чудеса обычных вещей: Что обыденная жизнь рассказывает нам о большой Вселенной

Маркус Чаун (Чоун)
Image result for фото Маркус Чаун (Чоун)

«Чудеса обычных вещей». Глава из книги

Маркус Чаун (Чоун)
 
Чудеса обычных вещей:
Что обыденная жизнь рассказывает нам о большой Вселенной
 

Автор заставляет самые обычные вещи и явления рассказывать о тайнах мироздания, о загадках микро- и макромира.

 

Глава 5. Вы, я и поразительно неправдоподобный тройной альфа-процесс

Само ваше существование говорит вам о том, что наша Вселенная — возможно, не единственная

Если мы приглядимся к Вселенной и сопоставим множество случайностей в физике и астрономии, которые совместно работают к нашему благу, то покажется, что Вселенная словно бы предполагала наше появление.
Фримен Дайсон1

И мужчине и женщине я говорю: да будет ваша душа безмятежна перед миллионом вселенных.
Уолт Уитман («Песня о себе»)2


Оглядитесь вокруг. Земля полна жизнью. Никто не знает, как эта жизнь началась. Но бесспорно одно. Жизнь в том виде, в котором мы ее знаем, не могла начаться без углерода. Атомы углерода обладают уникальной способностью соединяться с другими атомами углерода, создавая ошеломительный набор сложных молекул. В наших телах углеродные «биомолекулы» выполняют множество важных задач — метаболизируют пищу, которую мы едим; реагируют на свет, попадающий на сетчатку; шифруют наследственную информацию в дезоксирибонуклеиновой кислоте, или ДНК, и так далее Мы — углеродные двуногие, само существование которых строится на том, что углерод — широко распространенный элемент. После водорода, гелия и кислорода углерод — четвертый элемент, которым изобилует Вселенная. И вот это изобилие, между прочим, рассказывает весьма интересные вещи. Оно говорит нам о цепочке поразительно неправдоподобных совпадений в свойствах горстки атомных ядер. Мало того что эти совпадения несут ответственность за наше существование, они прозрачнейшим образом намекают, что наша Вселенная — всего лишь одна из бесконечного множества вселенных, плавающих, подобно пузырям, в невообразимо гигантской «мультивселенной».

Это слишком необыкновенное заключение, чтобы вывести его из одного лишь факта нашего существования, однако логика здесь, если вдуматься, совершенно неотвратимая. Первым делом надо осознать, что все элементы, включая углерод, не были размещены во Вселенной Создателем в День Номер Один. Вместо этого Вселенная началась с простейших ядерных кирпичиков — протонов и нейтронов, — и лишь впоследствии они склеились, чтобы образовать ядра девяносто двух природных элементов.

Свидетельства того, что элементы были сделаны — собраны по кирпичику, — на самом деле не так уж бросаются в глаза. Один из наиболее важных ключей к разгадке — изобилие различных элементов во Вселенной. Оценить это можно многими способами. Например, проанализировать состав камней из земной коры и метеоритов из космоса. Такие измерения впервые произвел норвежский химик Виктор Мориц Гольдшмидт в 1936 году. Распространенность элементов также может быть измерена путем исследования характерных «пальцевых отпечатков», которые они оставляют в свете, идущем от звезд; эту технику эффективно использовала Сесилия Пейн, когда она удивила научный мир, открыв, что Солнце едва ли не целиком состоит из самых легких элементов — водорода и гелия. Здесь интересно вспомнить слова французского философа Огюста Конта (1798–1857), составившего в 1835 году список вещей, которых, как он полагал, никогда не будут постигнуты наукой. Имея в виду Солнце и звезды, Конт писал: «Мы понимаем, как определить их форму, расстояния до них, их массу и их движения, но мы никогда не сможем ничего узнать об их химическом и минералогическом составе»3. Не прошло и четверти столетия, как немецкий физик Густав Роберт Кирхгоф (1824–1887) показал, что химические элементы — например, натрий, — будучи накалены в пламени газовой горелки, испускают свет с характерными для них длинами волн, и подобные «спектральные отпечатки» можно использовать для идентификации различных элементов в свете, идущем от Солнца и звезд. Огюсту Конту не пришлось краснеть от стыда и брать свои слова обратно — он умер до этого открытия4.

Анализ состава звезд, земных камней и метеоритов дал поразительные результаты. Оказалось, что по всему космосу элементы присутствуют примерно в одних и тех же пропорциях. Как сказал американский физик Ричард Фейнман: «…самым выдающимся открытием астрономии было открытие того, что звезды состоят из таких же атомов, что и Земля»5. Менее удивительно, однако не менее важно то, что во «вселенской» распространенности элементов виден определенный рисунок. Общее правило таково: чем тяжелее элемент, тем реже он встречается в природе. Однако на деле кривая распространенности элементов уходит вниз невероятно круто: например уран, элемент № 92, встречается в миллиард раз реже, чем элемент № 11, натрий. Легче всего это увидеть на листе миллиметровки. Если построить график, на горизонтальной оси расположив элементы по возрастанию их атомного веса, а на вертикальной оси отобразив распространенность элементов в природе, то в результате получится горный склон. От самых легких элементов в левой части листа склон крутым обрывом уйдет к тяжелым элементам, наподобие урана, расположенным в крайней правой части.

Некоторые элементы, однако, выступают против общей тенденции — им словно бы не нравится это резкое падение распространенности с нарастанием атомного веса. Получается, что они более распространены, чем их соседи по горному склону. Так, на склоне есть холмики, соответствующие углероду, азоту и кислороду; железо и его ближайшие соседи тоже образуют холмик. Но встречаются и такие элементы, распространенность которых отчетливо меньше, чем у соседей. Например, на склоне есть впадины, соответствующие литию, бериллию и бору.

Почему одни элементы более распространены, чем ожидалось, а другие менее? Важный ключ к разгадке можно найти в удивительном месте: в астоновской долине ядерной стабильности.

Вспомним, что в долине ядерной стабильности ядра с наименьшей массой в пересчете на один нуклон — железо и никель — находятся внизу, а по склонам, расположенным по обе стороны низины, поднимаются атомы, у которых все больше и больше массы в пересчете на нуклон. Ну что же, как выяснилось, эта простая картина не рассказывала всей правды. Когда Астон усовершенствовал свой масс-спектрограф и смог измерить массы ядер более точно, он обнаружил, что склоны его долины не слишком уж гладкие. Там, где были ядра с большей массой на нуклон, чем у ближайших соседей, располагались небольшие бугорки, а там, где были ядра с меньшей массой на нуклон, получились ямки. Примечательно то, что горбики на горном склоне распространенности элементов в точности совпали с ямками астоновской долины ядерной стабильности, а впадины на склоне распространенности совпали с холмиками на склонах астоновской долины. Вывод неизбежен: между этими явлениями должна быть связь. Насколько распространен элемент, должно зависеть от конкретных свойств его атомного ядра. Это и есть сильнейший намек на то, что за формированием элементов стоят ядерные процессы, — иначе говоря, намек на то, что элементы были сделаны.

Представим себе, что высоко со склонов долины кто-то сбрасывает партию футбольных мячей. Катясь по склонам ко дну долины, они огибают бугорки, но застревают в ямках. Соответствие между распространенностью элементов в космосе и астоновской кривой говорит о том, что нечто подобное, видимо, произошло и в природе. Атомные ядра, должно быть, были «сброшены» с высокого левого склона долины ядерной стабильности. Затем они «покатились» по склону ко дну долины, огибая бугорки и застревая в ямках. Атомное ядро в верхней левой части астоновской долины ядерной стабильности — это ядро маленькое, легкое. То ядро, которое скатывается ко дну долины, следовательно, не что иное, как легкое ядро, становящееся все тяжелее и тяжелее по мере последовательного накопления в нем ядерных кирпичиков. Другими словами, это легкое ядро, из которого строится более тяжелое.

Но если элементы были сделаны, на что указывают все свидетельства, то где именно происходило это делание? Ключевой момент здесь — температура, требующаяся для построения элементов. У ядер, которые побольше и потяжелее, и электрический заряд соответственно больше, чем у тех ядер, что поменьше и полегче. Следовательно, большие ядра намного яростнее отпихивают друг друга, а это означает только одно: чтобы они как следует столкнулись да еще склеились, требуются куда более высокие температуры. Судя по всему, самое жаркое место во Вселенной — это звезды, подобные Солнцу. К несчастью, расчеты английского астронома Артура Эддингтона, выполненные в 1925 году, показали, что звезды не могут быть космическими плавильными тиглями, в которых выпекаются элементы. Как объяснил Эддингтон, по причине вращения самого Солнца вещество внутри нашей звезды пребывает в нескончаемом круговом движении, и в результате этой бесконечной циркуляции солнечная материя непрерывно и очень тщательно перемешивается. Поэтому, если бы водород спекался в гелий, порождая таким образом солнечный свет, «пепел» гелия равномерно распространялся бы по всему веществу звезды. Беда в том, что этот пепел постоянно разбавлял бы водородное топливо Солнца. По мере хода времени Солнце постепенно остывало бы, а затем погасло бы окончательно. От тигля же, в котором выпекаются элементы, требуется как раз обратное.

В Соединенных Штатах Джордж Гамов знал о расчетах Эддингтона. Соображения английского астронома побуждали его найти другой плавильный тигель, достаточно горячий, чтобы в нем можно было выпекать элементы. И вскоре он нашел такой тигель: огненный шар Большого взрыва. В 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл (1889–1953), работавший в обсерватории Маунт-Вилсон в Южной Калифорнии, открыл, что галактики (это тоже «кирпичики», но уже большой Вселенной, их миллиарды и миллиарды, и наш Млечный Путь лишь один из них) разлетаются друг от друга, подобно космической шрапнели, несущейся во все стороны после взрыва титанического фугаса. Мы живем в расширяющейся Вселенной. И поскольку она расширяется, следует неизбежный вывод: в прошлом Вселенная была гораздо меньше. Если вообразить, что это расширение идет в обратном направлении, словно бы нам стали показывать фильм задом наперед, мы, по сути, придем к некоей точке во времени, когда все мироздание было сжато в бесконечно малом объеме. Это и есть момент рождения Вселенной в Большом взрыве, случившемся, как представляется сегодня, 13,7 миллиарда лет назад.

Гамов подхватил идею Большого взрыва и развил ее. Если в прошлом Вселенная была меньше, рассуждал он, следовательно, она должна была быть горячее (вновь все тот же старый эффект — воздух, нагревающийся в велосипедном насосе). Получается, что Большой взрыв, помимо прочего, был очень «горяч». А если этот самый Большой взрыв был очень горяч, то не мог ли он стать тем плавильным тиглем, где из нескольких простеньких базисных ингредиентов и выпекались химические элементы? Но вот проблема: Большому взрыву явно не хватало на это времени. Когда Вселенной было всего десять минут от роду, она уже расширилась и остыла до такой степени, что процессы формирования элементов благополучно заглохли. Это даже не пощечина мирозданию — это две пощечины подряд. Спустя десять минут после Большого взрыва огненный шар был уже не такой плотный, чтобы ядра могли часто сталкиваться друг с другом, а когда они все же сталкивались, то двигались слишком медленно и взаимное отталкивание было непреоборимо. Однако Гамова это не смутило. Десяти минут должно хватить, вот и весь сказ! «Элементы были приготовлены быстрее, чем готовится утка с жареной картошкой», — утверждал он6.

Впрочем, оптимизм Гамова был неуместен. Существовало более серьезное препятствие для формирования элементов, чем ограниченность по времени. В природе нет стабильных ядер, содержащих пять или восемь базисных кирпичиков. Это означает, что практически невозможно построить ядро, которое было бы тяжелее ядра гелия. Как же так? Ведь если один ядерный кирпичик — протон либо нейтрон — столкнется и склеится с ядром, именуемым гелий-4, то получится ядро с массой 5? Нет, стабильных ядер с такой массой не существует. Ну хорошо, тогда столкнутся и склеятся два ядра гелия — получится ядро с массой 8. Опять-таки нет, не получится: таких стабильных ядер тоже не существует. Отсутствует даже малейшая возможность формирования ядер элементов, следующих за гелием. К большому разочарованию Гамова, Большой взрыв не мог быть тиглем, в котором выпекались природные элементы*.

И вот тут на сцене появляется британский астроном Фред Хойл (1915–2001). По Хойлу, звезды — куда более привлекательны в качестве плавильных тиглей для выпекания элементов. В конце концов, они остаются плотными и горячими миллионы, если не миллиарды лет, а это уже не сравнишь с жалкими десятью минутами, «разрешенными» Большим взрывом. Поскольку времени было более чем достаточно, появилась возможность, что весьма нечастые ядерные процессы все же возьмутся за свое волшебство. Главное — чтобы какой-нибудь эдакий редкий процесс перепрыгнул через зловредные барьеры «масса-5» и «масса-8», и тогда дорога к выпеканию тяжелых элементов будет открыта. Проблема в том, что для любого такого процесса, вне всякого сомнения, нужна очень высокая температура. А ведь Эддингтон убедительно показал, что, по мере того как звезды синтезируют гелий из водорода, они постепенно остывают и в результате вообще испускают дух. Однако Хойла это не обескуражило. В космосе есть огромные звезды — могучие крепкие здоровяки, которые так и пышут жаром, выделяя в 10 000 раз больше тепла, чем Солнце. Само существование таких «красных гигантов» (первейший пример — это Бетельгейзе, сверкающая, словно бриллиант, в созвездии Ориона) — доказательство того, что звезды нашли способ избежать той постыдной кончины, которую наметил для них Эддингтон.

Например, как понял Хойл, звезда может выжить, если ее сердцевина будет в большей степени насыщена тяжелыми элементами, чем внешняя оболочка. За счет этого центральная область станет более плотной, чем периферия, и собственное тяготение звезды будет сдавливать сердцевину, раскаляя ее. Температура может запросто подняться до 100 миллионов градусов, а это именно то, что доктор прописал: легкие ядра будут спекаться в более тяжелые, осуществляя таким образом ядерный синтез. В то же время чрезвычайно горячая сердцевина звезды, выделяя чудовищное количество тепла, будет накачивать его во внешнюю оболочку, и та станет раздуваться до гигантских размеров. Но, раздуваясь, звездное вещество начнет остывать — в итоге его сияние потускнеет и обретет красноватую окраску. Таков был рецепт образования красного гиганта. Рецепт получился убедительный, и Хойл решил, что он на правильном пути.

Была, конечно, одна трудность: расчеты Эддингтона показывали, что звездное вещество в любой момент времени тщательно перемешано. Но Хойла это не остановило. Вместе с астрономом Реймондом Литлтоном (1911–1995) он придумал, как обойти эддингтоновский звездный капкан. Вполне можно представить, что при формировании звезды образуется плотное, сверхгорячее ядро, которое трепыхается в самом центре, окруженное жирной, толстой оболочкой. Для этого двум ученым потребовалось допустить существование плотных, холодных облаков газообразного водорода, дрейфующих по Галактике. Никто не знал, существуют ли подобные облака. Но если они существуют, то, как указали Хойл и Литлтон, звезда, обращаясь вокруг центра Галактики, должна непременно пробиваться сквозь эти облака, собирая вокруг себя густую пелену газообразного водорода. В таком случае внутренность этого звездного объекта, представляющая собой смесь гелия и водорода, будет плотнее, чем наружная оболочка. Вот он — рецепт образования красных гигантов со сверхплотным, сверхгорячим ядром.

Идея Хойла была остроумна, однако необходимость в ней уже отпала. Эддингтон был выдающимся астрофизиком своего времени, и он вовремя обнаружил, что в своих расчетах допустил глупейшую числовую ошибку. Да, он был прав в том, что по причине вращения самого Солнца вещество внутри него пребывает в нескончаемом круговом движении. Однако Эддингтон ошибся в оценке скорости этого кругового движения. Циркуляция вещества внутри Солнца происходит много медленнее — чертовски много медленнее! — чем выходило по расчетам ученого. В реальности она настолько медленная, что просто не может перемешивать вещество внутри Солнца. А раз нет перемешивания, то сердцевина звезды все сильнее обогащается гелием по мере выгорания водорода. Центральная область Солнца уплотняется, сжимается — и, конечно, разогревается до высоченных температур. Как выяснилось, перспектива стать красным гигантом — это естественная и неизбежная участь любой звезды, подобной Солнцу**.

Интуиция не подвела Хойла. Звезды и впрямь могут быть достаточно горячи, чтобы в них формировались элементы. Но оставалась проблема барьеров «масса-5» и «масса-8», которые, как выяснил Гамов, перекрывают путь к выпеканию тяжелых элементов в тигле Большого взрыва. Хойл принялся искать тот редкий ядерный процесс, который мог бы перескочить через барьеры. И нашел. Этот процесс предполагал взаимодействие не двух ядер гелия, а трех. Возможно ли, чтобы глубоко внутри красного гиганта, в самой его сердцевине, богатой гелием, ядра гелия — альфа-частицы — собирались по трое? Если бы они спеклись, то в результате получилось бы ядро углерода-12, — вот вам чистое, без малейшего фола, взятие барьера «масса-8».

На самом деле этот «тройной альфа-процесс» был уже рассмотрен американским физиком Эдвином Солпитером (1924–2008) в 1952 году. Солпитер быстро понял: шансы на то, что три ядра гелия соберутся вместе в одно и то же время, ничтожно малы, практически сведены к нулю. (Вообразите себе трех футболистов с завязанными глазами: они носятся, спотыкаясь, по всему полю и вдруг сталкиваются лбами — все трое! — у углового флажка.) Вместо этого Солпитер сосредоточился на взаимодействии двух сталкивающихся ядер гелия. Такое столкновение может показаться совершенно бесполезным, поскольку из склеивания двух ядер гелия получится ядро с массой 8, а подобные ядра, конечно же, нестабильны. Но вот что осознал Солпитер: хотя это ядро — бериллий-8 — действительно нестабильно, оно… не то чтобы совсем уж нестабильно. Прежде чем распасться, какие-то ничтожные доли секунды бериллий-8 все же существует. И вот что важно: в эти ничтожные доли секунды он становится «неподвижной мишенью» для третьего ядра гелия.

Для тройного альфа-процесса не нужно было неправдоподобного, до абсурда невероятного схождения трех частиц — вместо этого он мог вполне осуществиться в ходе короткой серии более прозаических процессов, где в каждом случае участников всего двое. Солпитер предположил, что процесс идет в два этапа. Сначала сталкиваются два ядра гелия, они склеиваются и образуют бериллий-8. Затем, не дожидаясь, пока бериллий-8 распадется, в него ударяет еще одно ядро гелия, и получается ядро углерода-12.

Предложенный Солпитером двухшаговый тройной альфа-процесс имел куда больше шансов на успех, чем его одношаговая версия. Но к несчастью, и этого было еще недостаточно. Когда Солпитер произвел расчеты для ядра красного гиганта, он обнаружил, что посредством тройного альфа-процесса в углерод может преобразоваться только крохотная доля гелия, содержащегося в звезде. Слишком неэффективно. Вновь тупик.

Хойл знал о неудаче Солпитера. Однако он не собирался отказываться от тройного альфа-процесса по той причине, что… да, в общем, по той причине, что это была, честно говоря, единственная возможность. Хойл задумался: а есть ли способ ускорить ход вещей? Он снова и снова прокручивал проблему в голове, и вдруг его озарило: есть, действительно есть способ повысить эффективность тройного альфа-процесса! Беда лишь в том, что у этого способа было страшно мало шансов.

Вообразите ребенка на качелях. Допустим, качели делают ход взад-вперед каждые пять секунд. Если вы будете подталкивать качели каждые три или каждые семь секунд, то не сможете раскачать их сильнее, и довольно скоро перед вами будет очень недовольный ребенок, интересующийся, зачем это дядя (или тетя) так неловко остановил(а) качели. Однако если вы станете подталкивать качели каждые пять секунд, они будут взлетать все выше. Физики скажут, что качели обладают «собственной частотой», равной одному качанию в пять секунд. Это характерно для всех колебательных систем (качели тоже колебательная система): когда движущая сила — в данном случае ваши толчки — совпадает с ее собственной частотой, энергия передается наиболее эффективно. В таком случае говорят, что колебательная система «вошла в резонанс».

Теперь рассмотрим атомное ядро — а именно ядро углерода-12. Представим его себе как мешок, в который помещены двенадцать ядерных кирпичиков. На самом деле такого мешка не существует, однако сильное взаимодействие, которое связывает кирпичики, с успехом удерживает их в очень малом объеме, как если бы они и впрямь находились в мешке. Внутри «мешка» ядерные кирпичики неустанно толкают друг друга туда-сюда, и надо сказать, что толкание это не совсем уж случайное. Есть свидетельства, что внутри ядра нуклоны движутся по орбитам плотно упакованных «оболочек», напоминающих электронные оболочки атома. А самое главное — то, что у «мешка» есть определенные собственные частоты, с которыми колеблется, или вибрирует, его содержимое.

«Частота» — синоним энергии: ленивые, низкочастотные вибрации несут небольшую энергию, а яростные, высокочастотные вибрации — большую. Таким образом, каждая внутренняя вибрация ядра углерода-12 соответствует определенной колебательной энергии. Так вот, именно энергия была тем способом, с помощью которого Хойл надеялся повысить эффективность тройного альфа-процесса. Если сталкиваются три ядра гелия — или, что то же, ядро гелия и ядро бериллия-8 — и их суммарная энергия в точности совпадает с одной из собственных частот углерода-12, возникает резонанс. Только в этом случае не качели взлетают выше, а возрастает скорость ядерной реакции, которая склеивает ядерные компоненты, чтобы произвести на свет углерод-12.

Конечно, ядерная реакция войдет в резонанс лишь при том условии, если у углерода-12 найдется «энергетическое состояние», которое будет в точности совпадать с суммарной энергией движения трех ядер гелия при температуре в 100 миллионов градусов, типичной для центральной области красного гиганта***. Хойл ввел в уравнения нужные значения и рассчитал энергию. Она составила 7,65 мегаэлектронвольта (МэВ). Что такое этот самый МэВ, в данном случае не важно; достаточно сказать, что это единица энергии, которую физики посчитали удобной для измерения энергии микрочастиц, имеющих электрический заряд. Важно другое: если энергетический уровень углерода-12 окажется в точности равным 7,65 МэВ, то ядерная реакция синтеза углерода-12 из трех атомов гелия войдет в резонанс. Хойл подсчитал, какое количество углерода-12 может быть выпечено в сердцевине красного гиганта при том условии, что энергетический уровень в 7,65 МэВ существует. Количество получилось весьма и весьма ощутимое. Ускоренный тройной альфа-процесс работал. Барьеры «масса-5» и «масса-8» остались позади. Путь к формированию любых тяжелых элементов был открыт. Все зависело от того, обладает ли углерод-12 колебательной энергией, в точности равной 7,65 МэВ. Вот и главный вопрос: обладает он этой энергией или нет?

К счастью или к несчастью, но весной 1953 года Хойл получил очередной академический отпуск в своем Кембриджском университете — такие отпуска с определенной регулярностью предоставляются преподавателям для научной работы. А местом назначения отпуска был Калифорнийский технологический институт в Пасадене (Калтех), где работала экспериментальная группа физиков-ядерщиков. Эта группа пробовала свои силы и в «ядерной астрофизике» тоже. Их измерения скорости важнейшей ядерной реакции в CNO-цикле имели критическое значение: все говорило в пользу того, что CNO-цикл может быть источником энергии только для звезд, существенно массивнее Солнца. Прибыв в Калтех, Хойл, не теряя ни минуты, направился в Радиационную лабораторию имени Келлога, чтобы повидаться с руководителем группы Уильямом Фаулером (1911–1995) и задать ему свой главный вопрос. Может ли углерод-12 обладать энергетическим уровнем, равным 7,65 МэВ?

Хойл мог с таким же успехом спросить: правда ли, что ядерными реакциями в сердце Солнца управляют феи? Фаулер подумал, что к нему заявился сумасшедший. Никогда еще ни один теоретик не мог предсказать точную энергию составного ядра. Математика этого дела была чертовски сложной.

Хотя физики редко это признают, но единственная физическая система, поведение которой они могут предсказать с уверенностью, — это система из двух тел: вот Луна движется по орбите под действием притяжения Земли; вот электрон в атоме водорода движется по своей орбите, подчиняясь электромагнитной хватке протона… Однако если речь заходит о системе из трех и более тел, теоретики сбиваются с толку. А углерод-12, с его двенадцатью электронами, жужжащими вокруг ядра, как пчелиный рой, — это уже система из «многих тел». Точно предсказать ее свойства — за пределами возможностей теоретиков. Но Хойл — молодой очкастый астроном из Англии — утверждал, что именно это ему и удалось: он сумел предсказать энергетические свойства углерода-12.

Что делало предсказание Хойла еще более абсурдным, так это сумасшедшая логика, стоящая за ним. «Я существую, я сделан из углерода, следовательно, углерод-12 должен обладать энергетическим уровнем в 7,65 МэВ». Вот такая логика! Никогда ранее за всю свою исследовательскую карьеру Фаулер не слышал ничего более удивительного. Заключение, вытекающее из наблюдательного факта, что в природе существуют люди. «Антропный» аргумент. Физика, определяемая биологией. Научная мысль, перевернутая с ног на голову.

Существовала очень высокая вероятность, что Хойл ошибается. С другой стороны, Фаулер придерживался принципа экспериментатора: никогда не будь глух к неожиданному. Он собрал членов своей небольшой исследовательской группы, и те вежливо выслушали, как Хойл повторил свои необыкновенные доводы в пользу существования у углерода-12 энергетического уровня в 7,65 МэВ. Возможно ли, спросил Хойл, что известные на сегодняшний день эксперименты каким-то образом упустили этот уровень? Последовала техническая дискуссия, большую часть которой Хойл даже не понял. Однако в конце концов коллеги Фаулера пришли к единому мнению. Если уровень углерода-12 с энергией 7,65 МэВ имеет некоторые очень специфические свойства, то да, вполне возможно, что эксперименты его упустили. Команда решила перенастроить свое оборудование и «заглянуть» в углерод-12.

Десять дней, пока продолжался эксперимент, Хойл мучился в неизвестности. Каждый день он спускался в недра Лаборатории имени Келлога — щедрого подарка магната кукурузных хлопьев — и наблюдал, как коллега Фаулера Уорд Уэйлинг и его группа работают не покладая рук в джунглях силовых кабелей, трансформаторов и камер, похожих на водолазные колокола, в которых сталкивались друг с другом атомные ядра. И каждый день, когда Хойл вновь выползал из лаборатории на мучительно яркое калифорнийское солнце, он испытывал облегчение от того, что его идея продержалась еще одни сутки и ее никто пока не растер в порошок, но облегчение тут же сменялось тревогой: а что будет завтра? а послезавтра?.. На десятый день Хойла встретил Уэйлинг. Руководитель группы долго жал руку английского астронома и извергал поздравления. Эксперимент удался. Предсказание Хойла подтвердилось. Невероятно, но углерод-12 обладал энергетическим уровнем со значением, всего лишь на волосок отличающимся от 7,65 МэВ.

Это был самый поразительный результат из всех, которые Фаулер когда-либо наблюдал. Он и впрямь не верил, что вопиющее предсказание Хойла будет подтверждено. Однако же вот — подтвердилось, да еще как эффектно! Подобно некоему всеведущему богу, Хойл вгляделся в сердце природы и высмотрел нечто такое, что простым смертным — или, во всяком случае, простым физикам-ядерщикам — было не дано увидеть. Он провозгласил, что углероду-12 должен быть свойствен уровень с энергией 7,65 МэВ, потому что если бы такого уровня не было, то и людей не было бы на свете. До сегодняшнего дня Хойл остается единственным человеком, который сделал успешное предсказание на основании антропного аргумента, опередив физический эксперимент.

Однако Хойл понимал, что, несмотря на потрясающий триумф, радоваться было рано. Стоит углероду-12 образоваться в недрах красного гиганта, как он сразу становится неподвижной мишенью, ожидающей, что по ней вот-вот ударит очередное ядро гелия. А в результате образуется ядро кислорода-16. Все хорошее, что принес тройной альфа-процесс, будет сведено на нет. Хотя углерод и получается в ходе этого процесса, он немедленно превращается в кислород. И Вселенная остается без углерода.

Для формирования углерода необходимо, чтобы ядро углерода-12 вибрировало с частотой, соответствующей очень конкретной энергии — суммарной энергии трех ядер гелия при температуре, типичной для недр красного гиганта. Это было понятно. Но теперь Хойл понял кое-что еще: углерод сможет выжить и не превратится в кислород только в том случае, если кислород-16 не будет вибрировать с определенной частотой, соответствующей конкретной энергии. А именно: кислород-16 не должен обладать энергией, равной суммарной энергии ядра углерода-12 и ядра гелия при той самой «сердцевинной» температуре красного гиганта. Если же такая энергия ему свойственна, возникнет резонанс, и весь углерод-12 тотчас превратится в кислород-16.

В рамках своей работы по CNO-циклу команда Фаулера уже измерила свойства ядра кислорода-16. Хойл внимательнейшим образом изучил эти данные. У него замерло сердце, когда он увидел, что энергетическое состояние кислорода-16 очень близко к тому уровню энергии, который следовало избегать любой ценой. Но, тщательно изучив проблему, Хойл к своему облегчению обнаружил, что значение этого энергетического состояния лежит за пределами опасного диапазона. Кислород и впрямь может формироваться внутри звезд, но, к счастью для рода человеческого, не за счет углерода.

Когда у Хойла появлялась свободная минутка и он принимался размышлять над тем, что именно он открыл, он все больше и больше изумлялся тем совпадениям в ядерном мире, от которых столь решительно зависит наше существование. Бериллий-8 нестабилен, но не настолько нестабилен, чтобы тройной альфа-процесс был невозможен. Значение энергетического уровня углерода-12 ровно таково, чтобы тройной альфа-процесс входил в резонанс и порождал значительные количества углерода. А у кислорода-16 как раз нет энергетического уровня с «нехорошим» значением, поэтому не весь углерод-12 превращается в кислород-16. Если бы эти три условия не удовлетворялись, Вселенная не содержала бы элементы тяжелее углерода, или, как вариант, в ней были бы тяжелые элементы, но не было бы углерода. Однако ничего подобного не произошло, все было тонко сбалансировано таким образом, чтобы родилась именно наша Вселенная, в которой примерно равные количества углерода и кислорода — элементов, принципиально необходимых для жизни.

Хойл задумался: как все это понимать? — и пришел к двум вполне логичным возможностям. Первая заключалась в том, что есть Бог, который тонко настроил свойства ядер бериллия-8, углерода-12 и кислорода-16, так чтобы мы могли прийти в этот мир. Проблема с этим вариантом лишь в том, что он ненаучен. Поразительная черта науки: вы получаете больше, чем вкладываете. Научное объяснение — зачастую сведенное к формуле или уравнению — всегда проще и компактнее, чем те наблюдения, которые оно обобщает. Если же Бог тонко настраивает вещи, то объяснение — мол, причиной всему сложное всевышнее существо — оказывается столь же сложным, если не более сложным, как те вещи, для которых оно понадобилось. Вы получаете меньше, чем вкладываете, — это антитеза науки. Есть еще одна проблема с гипотезой Бога: едва ли не самое поразительное заключение, которое можно сделать о Вселенной, — это то, что она, судя по всему, замечательно, просто превосходно функционирует, подчиняясь лишь известным физическим законам, без какого-либо сверхъестественного ввода данных.

Но если Создатель не занимался тонкой настройкой энергетических уровней бериллия-8, углерода-12 и кислорода-16, как тогда объяснить все эти невероятные совпадения? Хойл высказал сногсшибательное предположение. Возможно, наша Вселенная — не единственная. Возможно, есть множество вселенных, каждая со своими физическими законами. В большинстве вселенных физические законы не сговариваются, чтобы сотворить ядерные совпадения для образования углерода, и там нет жизни. Тогда не удивительно, что мы обнаружились во вселенной, где эти ядерные совпадения, необходимые для жизни, существуют.

Как же нам не возникнуть в таком случае?

Это удивительная, перевернутая логика. Но для Хойла только такая логика и имела смысл. Невероятно: сам факт нашего существования как углеродных созданий, возможно, рассказывает нам не просто и не только лишь о том, что глубоко внутри звезд бытуют ядерные совпадения. Возможно, он рассказывает нам о том, что где-то там, в других пространствах или других измерениях, существует огромное — если не бесконечное — количество других вселенных.

Продолжение следует…


1 Джон Дайсон Фримен (р. 1923) — американский физик-теоретик английского происхождения. Один из создателей квантовой электродинамики. Высказывание Дайсона процитировано в книге Джона Барроу и Фрэнка Типлера «Антропный космологический принцип» (1986).

2 Перевод К. Чуковского.

3 Цит. по: Огюст Конт. Курс позитивной философии: в 6 томах. Полный перевод с последнего 5-го французского издания под редакцией, с примечаниями и статьями профессоров С. Е. Савича, С. П. Глазанала, О. Д. Хвольсона, Д. И. Менделеева, К. И. Тимирязева, А. С. Лаппо-Данилоевского, И. М. Гревса и Н. О. Лосского, с приложением статьи профессора Н. И. Кареева. — СПб, 1901. — Книга II. Глава I.

4 Это не совсем так. Густав Роберт Кирхгоф проводил свои опыты в 1854 г., а Огюст Конт умер в 1857-м. Конечно, французский философ знал о новейших достижениях естественных наук, просто он до последних дней продолжал стоять на своем.

5 Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс. Фейнмановские лекции по физике. Перевод с английского А. В. Ефремова, Г. И. Копылова, О. А. Хрусталева. — М.: Мир, 1965. — Вып. I. Гл. 3.

6 Цит. по: Алекс Виленкин. Мир многих миров. Физики в поисках параллельных вселенных. Перевод с английского А. Сергеева. — М.: ACT: Астрель: CORPUS, 2010.


Примечания автора:

* Впоследствии выяснилось, что легчайшие ядра, такие, как дейтерий — тяжелый водород — и гелий, все-таки были сделаны в огненном шаре Большого взрыва. По сути, в итоге десятиминутной бури ядерных реакций примерно 10% ядер стали ядрами гелия; эту пропорцию мы видим сегодня по всей Вселенной, и то, что реальность совпала с картиной, предсказанной физиками, преподносится как один из главных триумфов модели Большого взрыва.

** Хойл был одним из тех ученых, которые часто оказываются правы даже в тех случаях, когда они ошибаются. Хотя разработанный им механизм образования красных гигантов был неверен, холодные, плотные, темные облака газообразного водорода, обоснованные Хойлом, действительно существуют. Это и есть те места, где рождаются новые звезды. Астроном оказался прав и в другом. Предложенная им «аккреция» — процесс, в ходе которого звезды собирают вокруг себя газообразный водород, — один из самых важных и наиболее распространенных процессов во Вселенной. Помимо всего прочего аккреция питает чудовищные «сверхмассивные» черные дыры, которые таятся в сердце практически любой галактики, включая наш с вами Млечный Путь.

*** На самом деле звезда должна иметь массу, по меньшей мере троекратно превышающую массу Солнца, чтобы ее температура достигла 100 миллионов градусов.

 

 
0
НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

НОВЫЕ ПОСТУПЛЕНИЯ


Почему наш мир таков, каков он есть
 

Древние чудовища России
 

Космические сыщики
 

Звёздный витамин
 

 

ОПУБЛИКОВАННЫЕ ГЛАВЫ


«Абсолютный минимум». Глава из книги
 

«Волшебный мир холодных морей». Глава из книги
 

«Захватчики». Глава из книги
 

«Темная материя и динозавры». Глава из книги
 

 
 

Комментарии

Заполните поля, отмеченные красным!

Добавить комментарий

Войдите, используя аккаунт соц.сети:

Комментарий:
Повторите цифры:

Поля отмеченные *(звездочкой) обязательны к заполнению.