Вселенная внутри нас: что общего у камней, планет и людей, стр. 7
В процессе образования звезды облако газа становится все массивнее, и чем больше частиц оно к себе притягивает, тем сильнее в нем гравитационное притяжение. В какой-то момент масса облака газа преодолевает критическое значение, и гравитационное притяжение становится неудержимым процессом, в ходе которого весь газ втягивается в центральную точку. Силы гравитации заставляют сливаться ядра всех элементов. В результате возникают новые комбинации ядер, и вместо ядра с одним протоном образуется более тяжелое ядро с двумя протонами. Однако эти новые ядра легче суммы прежних. В соответствии с уравнением E = mc2 потерянная масса превращается в огромное количество энергии, выделяющейся в космическое пространство.
Размер и продолжительность жизни любой звезды определяются этими противоположно направленными силами, действующими внутри звезды: сила гравитации затягивает элементы внутрь, а тепло термоядерных реакций заставляет их разъединяться.
Звезду можно сравнить с двигателем, который сначала использует одно топливо, а затем, когда оно заканчивается, переходит на другое. В обычных звездах в результате слияния атомов водорода образуется гелий. Солнце — именно такая звезда. Со временем, когда заканчивается водород и меняются условия, звезда переключается на слияние атомов гелия. Так продолжается и дальше: звезда начинает потреблять гелий, превращая его в более тяжелые элементы. Когда заканчивается гелий, термоядерные реакции начинают поглощать еще более тяжелые атомы, и так далее. В результате образуются кислород, углерод и другие химические элементы. За счет термоядерных реакций внутри звезд периодическая система разрослась от двух атомов до десятков.
Большинство тяжелых элементов в нашем организме возникло в результате термоядерных реакций в звездах.
Звезды могут использовать в качестве топлива даже более тяжелые атомы — вплоть до определенного предела, установленного законами физики и химии. Этот пограничный элемент — железо — занимает специфическое место в периодической таблице. Ядра более легких элементов могут сливаться, выделяя огромную энергию. Более тяжелые ядра тоже могут сливаться, но их структура такова, что при этом выделяется значительно меньше энергии. В результате для слияния этих ядер требуется затратить больше энергии, чем выделяется в реакции. Если бы, к примеру, в основе работы ядерного реактора лежало слияние ядер железа, такой реактор давал бы меньше энергии на выходе, чем нужно было бы затратить на его работу.
Это правило неприятно для звезд, зато для нас оно чрезвычайно выгодно. По мере того как звезды потребляют легкие элементы и постепенно продвигаются дальше по периодической таблице, в их центре накапливается железо. По мере расходования топлива и накопления железа термоядерные реакции ослабевают, и звезды начинают излучать меньше тепла. При определенных условиях ядро железа может поглощать энергию (своеобразное обращение ядерного взрыва). Это может запускать мощную цепную реакцию, заканчивающуюся взрывом, в ходе которого за считанные секунды может выделиться больше энергии, чем звезды вроде нашего Солнца способны выделить за все время своего существования.
Такой взрыв является одним из механизмов образования сверхновых звезд (второй механизм — столкновение звезд). Принцип действия сверхновых звезд напоминает принцип действия устройства Теллера — Улама: энергия одного взрыва запускает термоядерные реакции нового типа. Помните, мы говорили о термоядерных реакциях между элементами тяжелее железа? Сверхновые звезды выделяют так много энергии, что в них эти энергозатратные реакции могут иметь место. Все элементы тяжелее железа, такие как кобальт и цезий в наших телах, происходят из сверхновых звезд.
Для нас это очень важно. Взрывы сверхновых звезд распространяют атомы мертвой звезды по всей галактике. Это один из механизмов перемещения атомов между звездами.
Круговорот элементов во Вселенной. Водород внутри нас образовался в момент Большого взрыва, а другие элементы поступают от звезд и сверхновых звезд. Но однажды элементы, составляющие наше тело, вновь рассеятся во Вселенной.
Таким образом, мельчайшие частицы наших тел имеют столь же долгую историю, как сама Вселенная. Вскоре после Большого взрыва возникли атомы водорода, а позднее их рекомбинация начала приводить к образованию более тяжелых элементов, из которых складывались звезды и сверхновые звезды.
В небе, как в лесу, происходит постоянный круговорот веществ. Во Вселенной столько звезд, постоянно производящих и выделяющих химические элементы, из которых могут формироваться новые звезды, что все атомы, достигшие нашей планеты, раньше уже были частью множества разных солнц. Каждая галактика, звезда или живое существо является временным владельцем частиц, прошедших через рождение и смерть множества существ и объектов. Частицы внутри нас миллиарды лет путешествовали по Вселенной и еще долго после нашей смерти и исчезновения Земли будут частицами других миров.
Глава 3
Под счастливой звездой
С момента Большого взрыва возникло и исчезло множество звезд и галактик. Мы — я имею в виду Солнечную систему — появились сравнительно недавно. Для объяснения происхождения нашего уголка Вселенной требуются неординарные идеи и сложная наука. Шведский философ Эммануил Сведенборг обдумывал этот вопрос всю жизнь. Он родился в 1688 году и большую часть прожитых им восьмидесяти лет считал необходимым обдумывать по одной важной проблеме каждый день. В молодости он был натурфилософом, пытавшимся интуитивно проникнуть в суть вещей. Он, например, логически пришел к заключению о существовании нервов и нервной системы. Обратив свой взор к космосу, Сведенборг предложил теорию происхождения Солнечной системы. Он считал, что Солнце образовалось из облака газа и пыли, сконденсировавшегося в результате коллапса. Когда Солнце обрело форму, часть первичной пыли осталась вращаться вокруг молодой звезды в виде диска из мельчайших частиц. Со временем часть этого облака образовала планеты Солнечной системы. Эта идея не получила развития до тех пор, пока двадцать лет спустя, в 1755 году, философ Иммануил Кант тоже не занялся изучением происхождения Солнечной системы. Созданная им теория очень походила на теорию Сведенборга.
Пьер Симон Лаплас (1749–1827) был одним из величайших математиков всех времен. Некоторые называют его «французским Ньютоном». Именем Лапласа названы математические и статистические законы: существуют, например, уравнение Лапласа, оператор Лапласа и преобразование Лапласа, которые служат для описания законов электричества, магнетизма и движения тел в пространстве. Его настоящей страстью было изучение порядка во Вселенной — формы планет и орбиты небесных тел. Для описания небесных процессов он преобразовал философские идеи Сведенборга и Канта в математические формулы.
Лаплас предположил, что если облако пыли достигает определенного размера, частицы внутри него начинают взаимодействовать таким образом, что силы гравитации сближают их, а другие силы расталкивают. Если при определенных условиях силы гравитации побеждают, бесформенное облако пыли может превратиться в крутящийся диск. Со временем силы притяжения между частицами пыли расщепляют диск на несколько концентрических кругов (представьте себе полосатую летающую тарелку). Если масса пыли в этих кругах достаточно велика, частицы могут слипнуться, образуя планеты. Однако столь значительные события, конечно же, происходят не за одну ночь, а за миллионы лет.
Математические расчеты Лапласа способствовали тому, что идеи Сведенборга и Канта из интересных концепций превратились в проверяемые гипотезы. Однако в конце XVIII и в начале XIX века не существовало технических возможностей для создания необходимых измерительных инструментов. По этой причине наши представления о процессе образования Солнечной системы оставалось смутными еще более ста лет.