Поэтому можно заключить, что из 1000 атомов всей Вселенной 920 — водород, 80 — гелий и менее одного — все прочее.
ВОДОРОД И ГЕЛИЙ
Почему так? Увязывается ли водородно-гелиевая Вселенная с Большим взрывом? Очевидно, да. По крайней мере в том, что касается системы рассуждений Гамова, системы улучшенной, но в основе оставшейся без изменений.
Вот как это работает. Очень скоро после Большого взрыва, через какую-то долю секунды, расширяющаяся Вселенная остыла до такой точки, когда образовались известные нам составляющие атомов: протоны, нейтроны и электроны. В условиях огромной температуры, которая еще царила в то время, ничего более сложного существовать не могло. Частицы не могли соединиться друг с другом: при такой температуре, даже сталкиваясь, они тут же отскакивали в разные стороны.
Это остается справедливым и при столкновениях протон — протон или нейтрон — нейтрон даже при гораздо меньших температурах, таких, как температура нынешней Вселенной. Однако по мере того как температура ранних этапов эволюции Вселенной продолжала падать, наступил момент, когда при столкновениях протон — нейтрон появилась возможность двум частицам удержаться вместе. Они удерживаются вместе так называемым сильным взаимодействием — сильнейшим из четырех известных взаимодействий.
Протон-1 — это ядро водорода, как было сказано ранее в этой главе. Но комбинация протон — нейтрон — это тоже ядро водорода, потому что она имеет один протон, а это все, что требуется, чтобы квалифицировать ядро как водородное. Эти две разновидности ядер водорода (протон и протон — нейтрон) называются изотопами водорода и определяются в зависимости от общего числа частиц, которые они включают. Протон, в котором есть только одна частица, — это ядро водород-1. Комбинация протон — нейтрон, которая включает всего две частицы, — это ядро водород-2.
При высоких температурах ранней Вселенной, когда формировались различные ядра, ядро водорода-2 было не очень устойчиво. Оно стремилось либо к распаду на отдельные протоны и нейтроны, либо к соединению с дополнительными частицами, с последующим образованием более сложных (но, возможно, более стабильных) ядер. Ядро водорода-2 может столкнуться с протоном и примкнуть к нему, образуя ядро, составленное двумя протонами и одним нейтроном. В этой комбинации два протона, и мы получим ядро гелия, а так как в ядре три частицы, то это гелий-3.
Если водород-2 сталкивается и смыкается с нейтроном, образуется ядро, состоящее из одного протона и двух нейтронов (снова вместе три частицы). В результате получается водород-3.
Водород-3 неустойчив ни при какой температуре, даже при невысокой температуре современной Вселенной, поэтому он претерпевает вечные изменения, даже если он свободен от влияния других частиц или столкновений с ними. Один из двух нейтронов в ядре водорода-3 рано или поздно превращается в протон, и водород-3 становится гелием-3. В теперешних условиях это изменение не слишком быстро: половина ядер водорода-3 обращается в гелий-3 в течение немногим более двенадцати лет. При огромных температурах ранней Вселенной это изменение, несомненно, было более быстрым.
Итак, у нас теперь три типа ядер, устойчивых в современных условиях: водород-1, водород-2 и гелий-3.
Частицы гелия-3 соединяются друг с другом еще слабее, чем частицы водорода-2, и особенно при повышенных температурах ранней Вселенной, у гелия-3 сильная тенденция к распаду или изменениям путем дальнейшего добавления частиц.
Если бы гелию-3 случилось натолкнуться на протон и ему пришлось бы к нему присоединиться, тогда мы имели бы ядро, состоящее из трех протонов и нейтрона. Это был бы литий-4, нестабильный при любой температуре, так как даже в условиях прохладной температуры земной поверхности один из его протонов быстро превращается в нейтрон. В результате получается комбинация два протона — два нейтрона, или гелий-4.
Гелий-4 — очень устойчивое ядро, самое устойчивое при обычных температурах, за исключением единственного протона, образующего водород-1. Однажды сложившись, он почти не имеет тенденции к распаду, даже при очень высоких температурах.
Если гелий-3 сталкивается и соединяется с нейтроном, тут же образуется гелий-4. Если сталкиваются и соединяются два ядра водорода-2, опять же образуется гелий-4. Если гелий-3 сталкивается с водородом-2 или с другим гелием-3, образуется гелий-4, а избыточные частицы отсеиваются как отдельные протоны и нейтроны. Таким образом, гелий-4 образуется за счет водорода-2 и гелия-3.
В сущности, когда Вселенная остыла до температуры, при которой протоны и нейтроны, соединяясь, могли строить более сложные ядра, то первым таким ядром, образовавшимся в большом количестве, был именно гелий-4.
По мере дальнейшего расширения и охлаждения Вселенной водород-2 и гелий-3 все меньше стремились к изменению, а некоторые из них были, так сказать, заморожены для неизменяемого существования. В настоящее время только один атом водорода из каждых 7000 — водород-2; гелий-3 еще реже — только один атом гелия на миллион. Значит, не принимая в расчет водород-2 и гелий-3, мы можем сказать, что вскоре после того, как Вселенная достаточно остыла, ее составляли ядра водорода-1 и гелия-4. Таким образом, масса Вселенной слагалась из 75 % водорода-1 и 25 % гелия-4.
С течением времени в местах, где температура была достаточно низкой, ядра притягивали отрицательно заряженные электроны, которые удерживались при положительно заряженных ядрах силой электромагнитного взаимодействия — вторым сильнейшим из четырех взаимодействий. Единственный протон ядра водорода-1 ассоциировал с одним электроном, а два протона ядра гелия-4 соединялись с двумя электронами. Так формировались атомы водорода и гелия. Выражаясь количественно, на каждую 1000 атомов во Вселенной приходится 920 атомов водорода-1 и 80 атомов гелия-4.
В этом и есть объяснение водородно-гелиевой Вселенной. Но минуточку! Как обстоит дело с атомами тяжелее, чем гелий, и с более высоким атомным весом? (Соберем все атомы, содержащие более четырех частиц в ядрах, под знаком «тяжелые атомы»). Во Вселенной очень мало тяжелых атомов, тем не менее они существуют. Как они появились? Логика подсказывает, что, хотя гелий-4 очень устойчив, все же в нем есть слабая тенденция соединяться с протоном, нейтроном, водородом-2, гелием-3 или с другим гелием-4, образуя небольшие количества различных тяжелых атомов; это и есть источник возникновения примерно 3 % массы сегодняшней Вселенной, состоящей из этих атомов.
К сожалению, такой ответ проверки не выдержит. Если гелий-4 столкнулся бы с водородом-1 (один протон) и они соединились, появилось бы ядро с тремя протонами и двумя нейтронами. Это был бы литий-5. Если гелий-4 столкнулся бы и соединился с нейтроном, в результате появилось бы ядро с двумя протонами и тремя нейтронами, или гелий-5.
Ни литий-5, ни гелий-5, даже сформировавшись в условиях нашей остывшей Вселенной, не просуществуют больше нескольких триллионных долей триллионной доли секунды. Именно за такой период времени они распадутся либо в гелий-4, либо в протон или нейтрон.
Возможность столкновения и слияния гелия-4 с водородом-2 или гелием-3 очень призрачна, учитывая, как редки два последних ядра в первозданной смеси. Любые тяжелые атомы, которые могли образоваться таким путем, слишком немногочисленны, чтобы ими можно было объяснить столь значительное число атомов, существующих сегодня. Более возможно соединение одного ядра гелия-4 с другим ядром гелия-4. Такое сдвоенное ядро, состоящее из четырех протонов и четырех нейтронов, должно стать бериллием-8. Однако бериллий еще одно чрезвычайно нестабильное ядро: даже в условиях нашей сегодняшней Вселенной оно существует менее нескольких сотых триллионной доли секунды. Образовавшись, оно тут же распадается на два ядра гелия-4.