Марио Ливио - От Дарвина до Эйнштейна. Величайшие ошибки гениальных ученых, которые изменили наше понимание жизни и вселенной

Первыми вывели, какие именно ядерные реакции обеспечивают слияние четырех атомов водорода в одно ядро гелия, физики Карл Фридрих фон Вайцзеккер в Германии и Ганс Бете и Чарльз Кричфилд в США. В замечательной статье, опубликованной в 1939 году [298], Бете рассказал о двух возможных способах производства энергии, при которых водород преобразуется в гелий. Первый называется протон-протонный цикл [299]: сначала два протона объединяются в дейтерий – изотоп водорода с одним протоном и одним нейтроном в ядре, – после чего они захватывают один дополнительный протон, и дейтерий превращается в изотоп гелия. Второй механизм, углеродно-азотный цикл, – это циклическая реакция, в ходе которой ядра углерода и азота играют роль исключительно катализаторов. В итоге опять же происходит слияние четырех протонов, которые формируют одно ядро гелия, и это сопровождается высвобождением энергии. Первоначально Бете полагал, что Солнце производит энергию главным образом через углеродно-азотный цикл, однако эксперименты в Радиационной лаборатории Келлога в Калифорнийском технологическом институте впоследствии показали, что в основном энергию Солнца обеспечивает протон-протонный цикл, а углеродно-азотный цикл доминирует в производстве энергии лишь в более массивных звездах.

Наверное, вы заметили, что само название углеродно-азотного цикла предполагает присутствие атомов углерода и азота в качестве катализаторов. Однако теория Бете не сумела показать, как именно сформировались во Вселенной эти самые углерод и азот, откуда они взялись. Бете размышлял над вероятностью, что углерод мог быть синтезирован из трех ядер гелия (ядро гелия состоит из двух протонов, а ядро углерода из шести). Однако, завершив расчеты, Бете сделал вывод, что «при нынешних условиях [то есть при плотностях и температурах, наблюдаемых в большинстве звезд, подобных Солнцу] нет никакой возможности постоянно производить в недрах звезд ядра тяжелее гелия» [300]. Поэтому вердикт Бете был таков: «Приходится признать, что более тяжелые [чем гелий] элементы были созданы до того , как звезды достигли нынешней температуры и плотности».

Вокруг этого заявления Бете разгорелись жаркие споры, поскольку астрономы и геофизики в то время полагали, что разные химические элементы по большей части должны иметь общее происхождение. В частности, тот факт, что атомы наподобие углерода, кислорода, азота и железа, судя по всему, распределены равномерно по всей галактике Млечный Путь, явно указывает на какой-то вселенский процесс формирования. Следовательно, чтобы принять вердикт Бете, физикам нужно было выяснить, в каком таком общем котле варились элементы до того, как звезды пришли в нынешнее равновесное состояние.

Казалось, теория завела в тупик и сейчас у всех опустятся руки, но тут неугомонный Георгий Гамов (которого друзья и коллеги звали Гео) и его студент Ральф Альфер высказали блистательную на первый взгляд мысль: что если элементы были созданы тогда, когда Вселенная пребывала в первоначальном состоянии и была очень плотной и горячей – то есть в момент Большого взрыва? Сама по себе концепция была до гениальности проста. В момент сверхплотного первичного фейерверка, по мнению Гамова и Альфера, вещество состояло из сильно сжатого нейтронного газа. Это первичное состояние они назвали илем – от древнегреческого yle и средневекового латинского hylem – «материя». Все эти нейтроны стали распадаться на протоны и электроны, и тогда и могли возникнуть все более тяжелые ядра – они последовательно захватывали по одному нейтрону из оставшегося океана нейтронов (а эти нейтроны впоследствии распадались на протоны, электроны и антинейтрино). Таким образом атомы, как предполагалось, стройными рядами двигались по таблице Менделеева, с каждым захваченным нейтроном взбираясь на ступеньку выше. Как предполагалось, весь этот процесс контролируется, с одной стороны, вероятностью, что конкретное ядро захватит еще один нейтрон, а с другой – расширением Вселенной (которое было открыто в конце 1920 годов, о чем мы поговорим в следующей главе). Космическое расширение вызвало общее уменьшение плотности материи со временем, а поэтому темпы ядерных реакций тоже снизились. Ральф Альфер, в то время аспирант Гамова, выполнил большую часть расчетов, и результаты были опубликованы [301]в номере « The Physical Review » за 1 апреля 1948 года (Гамов любил выпускать статьи в День дурака). Остроумец Гео подметил, что если он возьмет в соавторы статьи Ганса Бете (который на тот момент вообще не участвовал в его расчетах!), то три фамилии – Альфер, Бете, Гамов – будут соответствовать трем первым буквам греческого алфавита – альфа, бета, гамма. Бете согласился поставить свое имя, и эту статью часто так и называют – «алфавитная статья» [302]. В том же году Альфер в сотрудничестве с физиком Робертом Германом работал над расчетом температуры реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва, которое теперь называют космическим микроволновым фоновым излучением . Гео, который всю жизнь был страстным любителем каламбуров, в своей книге «Сотворение Вселенной» (G. Gamow. The Creation of the Universe ) шутит, что Роберт Герман «упорно отказывался менять фамилию на Дельтер [303][чтобы соответствовать четвертой букве греческого алфавита дельте]».

Хотя схема Альфера и Гамова была очень красива, вскоре стало очевидно, что хотя нуклеосинтез в раскаленном «эпицентре» Большого взрыва и вправду мог обеспечить относительно много изотопов водорода и гелия (а также немного лития и еле заметное количество бериллия и бора), когда речь заходила о создании еще более тяжелых элементов, возникала череда неразрешимых проблем. Их суть легко понять, если прибегнуть к простой механической метафоре: очень трудно взбираться по лестнице, когда не хватает некоторых ступеней. В природе нет стабильных изотопов с атомной массой 5 и 8 . То есть стабильные изотопы гелия имеют атомную массу лишь 3 и 4, стабильные изотопы лития – 6 и 7, единственный по-настоящему стабильный изотоп бериллия имеет атомную массу 9 (а с атомной массой 10 он всего лишь долгоживущий) и т. д. Атомных масс 5 и 8 нет. Следовательно, гелий (атомная масса 4) не может захватить еще один нейтрон и создать ядро, которое оказалось бы достаточно долгоживущим, чтобы продолжить алгоритм захвата нейтрона. Такие же сложности возникают и у лития из-за пропуска на месте атомной массы 8. Пропуски в череде атомных масс досадным образом мешали прогрессу по алгоритму Гамова и Альфера. Даже великий физик Энрико Ферми [304], совместно с коллегой довольно подробно изучив эту проблему, с огорчением отметил, что синтез во время Большого взрыва «не может объяснить, как были сформированы элементы».