Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе

Откуда взялись химические элементы?

Химические элементы – «строительные кирпичики» Вселенной, 92 природных плюс ещё пара десятков сверхтяжёлых, созданных в лабораториях. Средний человек примерно на 70 процентов состоит из воды, а та складывается из бесчисленного количества одинаковых молекул, в каждой из которых два атома водорода и один атом кислорода, связанных воедино электромагнитной силой. Но, чтобы получился человек, требуется гораздо больше элементов: углерод, сера, фосфор… Они связываются между собой, образуя мириады различных молекулярных структур. Мы уже знаем, что ранняя Вселенная была, в сущности, горячим «супом» из фундаментальных частиц – кварков, электронов и фотонов. Так откуда же взялись все эти многочисленные элементы, необходимые для создания человека?

Вернёмся опять на самые ранние стадии существования Вселенной – спустя миллионную долю секунды после её начала, когда температуры были ещё невероятно высокими. В какой-то момент стало, наконец, достаточно холодно, чтобы кварки начали комбинироваться друг с другом. Есть разные виды кварков, всего их шесть, каждый – с немного отличающимися свойствами. Физики дали им забавные имена, например, странный, очарованный, истинный и прелестный, но для обычного вещества Вселенной, включая то, из которого сделаны мы, имеют значение только два самых лёгких вида кварков – верхний и нижний. Чтобы получился протон, надо взять два верхних кварка и нижний – и склеить вместе. Два нижних кварка и верхний дают нейтрон. А склеивает кварки друг с другом сильное взаимодействие.

Сильное взаимодействие играет ключевую роль в нашем обсуждении происхождения элементов, поэтому давайте поговорим о нём подробнее. Современная концепция атома появилась в 1911 году, когда Эрнест Резерфорд показал, что весь его положительный заряд сосредоточен в крохотной области пространства – атомном ядре.[30] Ядро оказалось в 1000 раз меньше, чем размер орбит электронов. Большая часть атома занята пустым пространством!

Атомное ядро состоит из смеси двух видов нуклонов: электрически нейтральных нейтронов и положительно заряженных протонов. Протоны тесно упакованы в мельчайшем объёме ядра, а это значит, что электромагнитное отталкивание между ними должно быть огромным. Какая же сила мешает атомным ядрам разлетаться в разные стороны? Эта сила должна быть гораздо больше электромагнитной! Физики назвали её попросту сильным взаимодействием.

Природа сильного взаимодействия довольно сложна. В соответствии со стандартной моделью физики частиц, которая предлагает что-то вроде набора рецептов взаимодействий между фундаментальными частицами с указанием действующих при этом сил, сильное взаимодействие связывает не сами протоны и нейтроны, а составляющие их кварки. Каждый кварк испытывает такое взаимодействие в результате обмена особыми частицами – глюонами, которые как раз и склеивают («клей» по-английски «glue») кварки друг с другом. Три кварка, находящиеся внутри каждого протона и нейтрона, в бешеном темпе обмениваются глюонами, которые тесно скрепляют их.

Каким же образом сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре? Когда протоны и нейтроны оказываются достаточно близко, кварки в одном нуклоне «чувствуют» присутствие кварков в другом – и тоже начинают обмениваться глюонами. Получается, сильное взаимодействие, связывающее ядро в неразрывное целое, обеспечивается лишь избытком глюонов, который просачивается между кварками одного нуклона в другой! Какой невероятной мощью должно обладать это взаимодействие!

Из всего этого следует, что сильное взаимодействие между протонами и нейтронами происходит только на очень малых расстояниях, и, чтобы эти силы начали действовать, частицы должны оказаться очень близко друг к другу. Это требование и создаёт трудности при рассмотрении вопроса об образовании элементов в ранней Вселенной.[31] Верно, что из-за высоких температур в ранней Вселенной протоны и нейтроны испытывали множество сверхинтенсивных столкновений, в ходе которых достаточно сближались, чтобы сильное взаимодействие могло сцеплять их друг с другом. Протон и нейтрон могли объединяться, образуя ядро дейтерия (тяжёлого водорода). Но дейтериевые ядра очень хрупки, и в яростном хаосе Большого Взрыва они быстро разлетались на части. А без образования дейтерия не могли образовываться и более тяжёлые элементы. Этот тупик получил название «дейтериевого бутылочного горлышка».

Но в конце концов Вселенная остыла достаточно для того, чтобы дейтерий перестал распадаться в результате столкновений и смог служить строительным материалом для создания более тяжёлых ядер. Два ядра дейтерия могли объединяться и образовывать ядро гелия-4. А если ядро дейтерия присоединяло отдельный протон, получалось ядро гелия-3. Так, по-видимому, и открывался путь к созданию остальных химических элементов. Однако, по мере того как Вселенная продолжала остывать, наметилась очередная трудность.

Ядра дейтерия заряжены положительно и, следовательно, отталкиваются друг от друга. Когда Вселенная остывала, движения дейтериевых ядер замедлялись, становились вялыми. Теперь, когда они сближались, включались электромагнитные силы и отбрасывали их друг от друга. Ядра просто не могли сблизиться настолько, чтобы сильное взаимодействие включилось и связало их воедино. Отбрасывались и свободные протоны. Спустя всего несколько минут, за которые успело образоваться некоторое количество ядер гелия и лития, нуклеосинтез должен был оборваться.

Путь к образованию более тяжёлых элементов в ходе Большого Взрыва оказался отрезан. А мы снова остались с тем же вопросом: откуда взялись химические элементы?