Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе - Герайнт Фрэнсис Льюис Страница 17

Однако, сколько бы вы ни играли с параметрами ранней Вселенной, вам быстро станет ясно одно: в горячей и плотной среде Большого Взрыва образование элементов идёт крайне неэффективно. «Дейтериевое бутылочное горлышко» ставит жёсткий барьер на пути формирования тяжёлых ядер, и в результате нуклеосинтеза во Вселенной остаётся только главным образом водород, чуть-чуть гелия и еле заметные следы других элементов. Придётся-таки повозиться с составом ранней Вселенной, чтобы суметь радикально изменить эту ситуацию.

Космологи наконец осознали: Большой Взрыв, как мы его понимаем, не мог породить всего того разнообразия элементов, которое мы видим вокруг себя сегодня. Быстрое охлаждение Вселенной в процессе её расширения и замедляющее действие «дейтериевого бутылочного горлышка» означают, что после образования гелия и очень маленького количества лития Вселенная должна была выдохнуться. Космологи по-прежнему не могли понять, откуда взялись остальные элементы – углерод, кислород, золото, уран… Но нашлось другое очевидное место, где царили огромные температуры и плотности, необходимые для производства новых элементов, – недра звёзд! Однако физика, описывающая эти среды, была такой же странной и экзотичной, как физика самого Большого Взрыва. Требовалось ещё много работы с новыми уравнениями – и хорошие мозги, которые бы эту работу выполняли.

Итак, через первые несколько минут после Большого Взрыва космологическая ядерная печь погасла, и Вселенная продолжала расширяться и остывать. Остывало и оставшееся в ней излучение.

Вселенная постепенно погружалась во тьму, где царила гравитация, стягивая вещество в глыбы и кучи. Масса в форме тёмной материи, доминирующая масса Вселенной, затаившаяся на задворках Большого Взрыва, сформировала зародыши первых галактик. За ней потянулось и обычное вещество (атомы, возникшие в ходе творения). Газ охлаждался и коллапсировал, сжимаясь до огромных давлений и доводя температуру в ядрах газовых конденсаций до экстремальных значений. Родились первые звёзды. Вселенная осветилась и вошла в современную эпоху. Мир квантов играл в этом главную роль: без него звёзды не сияли бы.

Часть 2

Квант космоса: настоящее

Как мы разгадали химию небес?

Эту главу мы начнём с обращения к истории.[34] В 1835 году французский философ Огюст Конт размышлял о природе Вселенной. Вывод его был неутешителен: состав небесных тел навеки останется тайной. В своём труде «Курс позитивной философии» он писал: «Что касается звёзд… мы никогда не сможем каким бы то ни было способом изучить их химический состав или минералогическую структуру».[35]

В науке предсказания – опасное дело. История полна примеров видения будущего, которые сейчас вызывают только смех. Как мы сейчас увидим, Конт тоже ошибся.

Почти за 200 лет до того, как он взялся за перо, великий учёный Исаак Ньютон сделал первые шаги к разгадке природы небес. В 1660-х в своей квартире в Колледже Св. Троицы в Кембридже он направил узких пучок солнечных лучей на стеклянную призму. К его изумлению, белый свет Солнца превратился в разноцветную радугу! Если присмотреться, такие маленькие радуги можно увидеть повсюду, где солнечный свет проходит через стекло, которое действует как призма.

В начале 1800-х баварец Иозеф фон Фраунгофер усовершенствовал искусство изготовления высококачественных призм и объединил их с телескопами. Расщепляя на составляющие свет ярких звёзд, он получил такие же радужные картины, какие давало Солнце. Может быть, Солнце и звёзды не так уж отличаются друг от друга?

По сравнению с сегодняшними правила техники безопасности в XIX веке были не слишком строгими, и, вероятно, именно работа с ядовитыми парами металлов способствовала ранней смерти Фраунгофера в возрасте 39 лет. Но за свою короткую жизнь, благодаря построенным им точным оптическим приборам он обеспечил гигантский прорыв в понимании строения звёзд. Исследуя полученные расщеплением солнечного света радуги – спектры, Фраунгофер обнаружил в них на разноцветном фоне множество тёмных линий и полосок. Хотя эти полосы в солнечном спектре 10 годами раньше уже отмечал Уильям Хайд Волластон, Фраунгофер начал составлять их систематическую карту, идентифицировав почти 600 индивидуальных линий.

Источник линий оставался тайной до 1850-х, когда появились работы Густава Кирхгофа и Роберта Бунзена. Они пропускали световые лучи через образцы различных газов, каждый раз расщепляя свет, прошедший сквозь газ, при помощи призмы. Прохождение света через газовую среду приводило к появлению в спектре тёмных линий, причём каждому газу строго соответствовал свой набор полос.

Стало ясно: тёмные линии в спектре Солнца возникали из-за присутствия в его атмосфере различных элементов, тех самых, что исследовались в лабораториях на Земле. К 1860-м пионеры звёздной спектроскопии, такие, например, как Уильям и Маргарет Хаггинс, выяснили, что более далёкие звёзды тоже сделаны из «земных» веществ.

Однако были и исключения. Некоторые астрономы вели наблюдения не только внешних слоёв Солнца, но и его протяжённой внешней атмосферы. Это было возможно, только когда ослепительно сияющее Солнце во время полного затмения загораживалось лунным диском. Тогда на месте тёмных полос вспыхивали яркие линии – Кирхгофф и Бунзен объясняли их эмиссией, то есть излучением света атомами тех же элементов. К удивлению учёных, в излучении солнечной атмосферы оказалась яркая жёлтая линия, которой никогда не наблюдали в лаборатории. Выходит, небесные тела, по крайней мере отчасти, всё-таки состоят из неземных веществ!

В 1860-х астроном Норман Локьер и химик Эдвард Франкленд предположили, что материал, соответствующий найденной яркой линии, есть и на Земле, просто ещё не открыт. Они допустили, что в периодической таблице элементов чего-то недостаёт, и назвали отсутствующий элемент гелием, в честь древнегреческого бога Солнца Гелиоса. К 1900 году учёные наконец получили этот элемент в лаборатории, а к 1903 году и добыли из-под земли – он содержался в каменной породе, откопанной в поле близ городка Декстер в Канзасе. Исследователи были уверены, что нашли то, что искали: они опознали новый элемент по его квантовым «отпечаткам пальцев», по той же линии, которая была уже найдена и на Солнце, и в лаборатории. Сегодня мы страдаем от недостатка гелия – этот устойчивый и лёгкий газ оказался незаменим и в магнитно-резонансной томографии (МРТ), и в производстве ракетных двигателей, и, наконец, в праздничных гирляндах воздушных шариков![36]

Пророчество Конта не сбылось. Благодаря спектроскопии мы узнали химический состав звезд и убедились, что небесные тела состоят из тех же элементов, что земные. Когда этот факт был установлен, Вселенная стала казаться гораздо менее таинственной.

Если «отпечатки пальцев» химических элементов в излучении звезд помогли нам детально разобраться в составе Вселенной, почему сами элементы, которым принадлежали эти отпечатки, оставались неизвестными? И почему картина полос одного элемента должна обязательно отличаться от картины другого? В последнее десятилетие