Шрифт:
Космическая ядерная химия – наука запутанная. Как была запутанной в 1957 году, так до сих пор и остается. В число основных ее вопросов входит и такие: как ведут себя различные элементы из знаменитой таблицы Менделеева при разных температурах и давлениях? Синтезируются ли элементы? Расщепляются ли? Насколько легко обеспечить для этого условия? Что при этом происходит с энергией – она высвобождается или поглощается?
Разумеется, таблица Менделеева – это отнюдь не просто загадочная сетка из примерно ста ячеек с непонятными буковками. Это последовательность всех известных элементов во Вселенной в порядке увеличения количества протонов в их ядрах. Самые легкие элементы – это водород, у которого один протон, и гелий, у которого их два. И из них – при нужном сочетании температуры, плотности и давления – можно синтезировать все остальные элементы.
Извечная задача ядерной химии состоит в том, чтобы вычислить точные сечения соударения – то есть меру того, насколько близко одна частица должна подойти к другой, чтобы между ними произошло значимое взаимодействие. Если имеешь дело с предметами вроде бетономешалок или домов, которые перемещают по улице на огромных платформах, вычислить сечение соударения довольно просто, но когда речь идет о неуловимых субатомных частицах, все становится сложнее. Если точно знаешь, каковы сечения соударения, то можешь предсказать скорости и пути ядерных реакций. Зачастую мелкие неопределенности в таблицах сечений соударения приводят к чудовищно ошибочным выводам. В целом задача сильно напоминает прокладку маршрута в метро в незнакомом городе на основании схемы метро совсем другого города.
Этими пробелами дело не ограничивается – ученые долго полагали, что если где-то во Вселенной идет какой-то экзотический ядерный процесс, то он вполне может идти где угодно, а не только в недрах звезд. В частности, британский астроном-теоретик сэр Артур Эддингтон в 1920 году опубликовал статью под названием «Внутреннее устройство звезд» (Arthur Eddington, «The Internal Constitution of the Stars»), где утверждал, что лаборатория имени Кавендиша в Англии, в то время самый знаменитый центр физических исследований, не может быть единственным местом во Вселенной, где удается превратить одни элементы в другие:
Однако можно ли предположить, что подобный переход действительно происходит? Это трудно подтвердить, но еще труднее опровергнуть… а все, что возможно в лаборатории имени Кавендиша, не так уж затруднительно в недрах Солнца. Думаю, что в общем и целом все научное сообщество подозревает, что именно звезды – это тигли, где легкие атомы, которых так много в туманностях, составляются в более сложные элементы.
(Eddington, 1920, p. 18)Статья Эддингтона на несколько лет опередила открытия квантовой механики, без которых наши познания о физике атомов и субатомных частиц были бы по меньшей мере скудными. Проявив незаурядную прозорливость, Эддингтон начал формулировать теорию, согласно которой звезды вырабатывают энергию посредством термоядерного синтеза водорода в гелий и далее:
Нам не нужно опираться на образование гелия из водорода как на единственную реакцию, обеспечивающую [звезду] энергией, хотя может показаться, что на дальнейших этапах создания химических элементов энергия высвобождается уже не в таком количестве, а может быть, и поглощается. Эту точку зрения можно вкратце описать следующим образом: атомы всех элементов создаются из связанных друг с другом атомов водорода и предположительно когда-то сформировались из водорода, и недра звезды, как видится, подходят для подобного рода эволюции не хуже любого другого места.
(Там же).Кроме того, хотелось бы, чтобы модель превращения элементов друг в друга объясняла и то, почему на Земле и во всей остальной Вселенной наблюдается именно такое относительное содержание разных элементов, какое мы измеряем. Но для этого сначала нужно было разобраться в механизме подобных превращений. К 1931 году уже была разработана квантовая физика (хотя нейтрон еще не открыли), и астрофизик Роберт д’Эскур Аткинсон опубликовал подробную статью, в аннотации которой заявил, что выдвигает «теорию синтеза звездной энергии и происхождения элементов… в которой различные химические элементы поэтапно создаются в недрах звезд из более легких посредством последовательного, по одному, включения протонов и электронов» (Atkinson, 1931, p. 250).
Примерно в то же время специалист по ядерной химии Уильям Д. Харкинс опубликовал статью, где отмечал, что «элементы с низким атомным весом распространены более широко, чем элементы с высоким атомным весом, к тому же среди элементов со сходными весами элементы с четными атомными числами в среднем примерно в 10 раз распространеннее элементов с нечетными атомными числами» (Lang and Gingerich 1979, p. 374). Харкинс предположил, что относительная распространенность элементов зависит скорее от ядерных, чем от обычных химических процессов, а тяжелые элементы должны синтезироваться из легких.
Многоступенчатый механизм ядерного синтеза в звездах давал исчерпывающее объяснение присутствия в космосе многих элементов, особенно тех, которые получаются каждый раз, когда двухпротонное ядро гелия добавляется к уже созданному элементу. Это, собственно, и есть распространенные элементы с «четными атомными числами», о которых пишет Харкинс. Однако существование и количественное соотношение многих других элементов осталось без объяснения. Значит, другие способы создания элементов тоже сыграли свою роль.