На ранней стадии развития вселенной в ней существовал только водород — самый простой из всех химических элементов. Но его было отнюдь не достаточно для создания таких сложных объектов, как планеты и человек. Со временем материя охладилась настолько, что из протона и отрицательно заряженного электрона образовался атом водорода; к тому моменту, на водород приходилось около 92% всех атомов вселенной, причем, остальные восемь процентов практически полностью приходились на образовавшийся в результате синтеза гелий, очень небольшое количество лития и некоторые другие из самых легких химических элементов. Однако для образования прочих элементов температура на ранней этапе образования вселенной в тот момент была недостаточной, и в космосе наступила темная эра, длившаяся 380 миллионов лет.
Затем во вселенной, по мере ее расширения и охлаждения, стали хозяйничать силы гравитации. В эту эпоху формируются галактики, а вслед за ними — первые звезды. Поначалу они излучали свет благодаря гравитационному сжатию: как только звезда сжималась под давлением собственной массы, водород сильно уплотнялся, а звезда сильно разогревалась. Благодаря гравитации звезды могли излучать свет в течение нескольких миллионов лет, поскольку температура внутри звезды была вполне достаточна для того, чтобы запустить механизм термоядерного синтеза.
Термоядерный синтез в звездах — это поистине величественное явление природы, в ходе которого происходит соединение двух ядер. Однако, не все так просто: в большинстве звезд ядра водорода все равно не могут достаточно близко подлететь друг к другу и, тем самым, запустить термоядерную реакцию, ведь чем ближе ядра водорода друг к другу подлетают, тем сильнее отталкиваются, поскольку оба заряжены положительно. Но, поскольку пара ядер — это квантовые объекты, то для слияния им вовсе не нужно подлетать на очень близкое расстояние, поскольку здесь начинает действовать так называемый туннельный эффект: представьте, сначала оба ядра очень близко подлетают друг к другу, а в следующий момент они уже оказываются соединенными. Эта похоже на то, как если бы оба ядра подлетели к стене, а в следующий момент каким-то чудесным образом оказались по другую сторону.
Но даже квантового волшебства отнюдь не достаточно для того, чтобы звезда продолжала гореть. Для этого необходим не только ядерный синтез, но и продуцирование чего-то стабильного. В результате синтеза двух протонов образуется гелий-II (содержит два протона без нейтронов); он крайне нестабилен и сразу же распадается на два протона. Вместе с тем существует вероятность (1/10000) того, что один из протонов превратится в нейтрон, в результате чего получится стабильный изотоп водорода — дейтерий. В свою очередь, при синтезе водорода и дейтерия образуется устойчивый изотоп гелия, при этом высвобождается гигантское количество энергии — именно так раскрывается гигантский творческий потенциал звезд.
В небольших звездах водород был единственным элементом, который принимал участие в термоядерном синтезе; при уменьшении его запасов звезда угасала. Но после того, как самые большие из первых звезд полностью сжигали весь свой водород с образованием гелия, горение в них продолжало идти по другим законам: как только звезда прекращала сжигать водород, давление внутри нее падало, но гравитация вновь начинала ее сжимать, вследствие чего температура внутри звезды возрастала. И как только она достигала ста миллионов градусов по Кельвину, гелий начинал превращаться в бериллий (ядро бериллия состоит из четырех протонов); в результате взаимодействия гелия и бериллия получался углерод (в его ядре семь протонов) — а это уже основной элемент для жизни на Земле. Синтез углерода происходил в раскаленных недрах звезды; правда, ему еще предстояло пройти очень и очень долгий путь, прежде, чем стать частью человеческого организма. Из углерода в результате синтеза появился азот и кислород (в их ядрах соответственно семь и восемь протонов) — а это еще два элемента необходимых для появления жизни; из этих двух элементов в результате цепи превращений можно получить железо (26 протонов).
Однако трансформация железа в более тяжелые элементы не сопровождается выделением энергии, как это было при термоядерном синтезе более легких элементов — наоборот, при образовании железа происходит поглощение энергии. Если бы более легкие элементы при термоядерном синтезе всегда превращались в более тяжелые, то тогда бы реакция синтеза в недрах звезды проходила в течение неопределенно долгого времени, покуда светило не превратилось бы в нейтронную звезду — огромный однородный шар, состоящий из ядерного материала. Но поскольку при термоядерном синтезе железа ядро звезды охлаждалось, то и сама реакция синтеза затухала. После ее прекращения, первые массивные звезды, вспыхнувшие после Большого взрыва, начинали сжиматься под действием гравитации, что затем приводило к взрыву сверхновой, который сопровождался мощным выбросом вещества из внешней оболочки звезды, богатой углеродом, азотом и кислородом, в межзвездное пространство с одновременным сжатием звездного ядра, которое затем превращалось в нейтронную звезду.
Долгое время считалось, что разнообразие химических элементов, окружающих нас, полностью обусловлено термоядерным синтезом и взрывами сверхновых. Но теперь-то мы знаем, что образовании этих элементов сыграли свою важную роль также и другие экзотичные процессы. Как показали недавно проведенные исследования, золото и остальные редко встречающиеся тяжелые химические элементы образуются в большом количестве при столкновении двух нейтронных звезд. Вполне вероятно, что как раз в результате одного из таких столкновений образовалось все золото, имеющееся на нашей планете.
Превращение водорода в другие химические элементы происходило благодаря редким по своей природе космическим явлениям и квантовым процессам. Первозданную материю и человека объединяет друг с другом длинная цепь случайностей. Вероятность появления каждого из звеньев этой цепи очень мала; к тому же, большую роль в его возникновении играет и сам характер каждого из физических процессов. Так, если бы уровень сильного ядерного взаимодействия, удерживающего вместе два протона, был на два процента больше, то тогда изотоп гелия — гелий-II — оказался бы стабильным; в этом случае, термоядерная реакция протекала бы еще легче, а первое поколение горячих и плотных звезд вообще бы не появилось. Если бы характер протекания любого из физических процессов изменился, то наша вселенная выглядела бы сегодня по-другому, а человек, вероятнее всего, вообще бы не появился.
Иногда к сказанному выше ученые применяют выражение «тонкая настройка» вселенной, в основе которого лежит идея о том, что существование жизни в первую очередь зависит от таких явлений, как термоядерный синтез, протекающий внутри звезд не произвольным, а строго определенным образом. Именно данный факт заставил некоторых ученых обратить свой взор к теологическому обоснованию происхождения вселенной, правда, другие склонились к противоположной точке зрения. В любом случае ясно одно: вселенная проявила себя вовне — и в результате этого появился человек. Вещество, из которого состоит человек и окружающий его мир, явилось на свет в результате превращений водорода под воздействием гравитации и времени.
Брайан Коберлейн — астрофизик, профессор физики Рочестерского технологического института (RIT). Автор статей в области астрономии и астрофизики, опубликованных в его блоге «One Universe at a Time». Адрес в Twitter: @BrianKoberlein.
