С этого и началась эпоха значительных космологических измерений, подтверждавших предсказания теории инфляции. Независимо обнаружился и еще один неожиданный факт. Наблюдения удалённых сверхновых звезд выявили недостающее вещество Вселенной целых 70 процентов ее объема. Оно затаилось в виде темной энергии.
Космология преподнесла много сюрпризов. Один из них состоит в том, что наша Вселенная вовсе не единственная. Это следствие инфляционной теории. В 1984 году Алексей Старобинский разработал стохастический подход в теории инфляции предположил, что инфлатонное поле описывается случайным потенциалом. Это означает, что флуктуации в инфлатонном поле могут возникать случайно и в любом его месте. Российский физик Андрей Линде, ныне работающий в Стэнфордском университете, в 1986 году продолжил эту мысль Старобинского: если флуктуации могут возникать случайно и где угодно, то они могут возникать в любой момент и не однажды, а происходят постоянно вечно.
Если вернуться к снежной аналогии рождения Вселенной, то легко себе представить, как постоянные порывы ветра сгребают в поле не один крепкий снежок и не один сугроб. Каждый из таких снежков может оказаться на крутом обрыве и, комом скатываясь вниз, давать жизнь своей вселенной, с ее специфическими параметрами потому что траектории снежных комов будут разными. Разные вселенные могут существенно отличаться друг от друга. Свойства нашей Вселенной поразительным образом приспособлены к тому, чтобы в ней возникла разумная жизнь. В этом ученые находят проявление так называемого антропного принципа: Вселенная создана для человека. Другим вселенным, наверное, повезло меньше, поэтому мы о них ничего не знаем.
«Вывод о вечной инфляции, полагаю, нужно понимать в таком же общефилософском смысле, как и тезис о вечности материи. Где-нибудь в пространстве и где-нибудь во времени всегда можно найти миры (вселенные), находящиеся на инфляционной стадии, так охарактеризовал год назад это достижение Андрея Линде Алексей Старобинский. И поэтому сейчас полностью исчезли иллюзии о возможности однократного божественного сотворения мира. Это было ещё как-то возможным, когда все думали об одном Большом взрыве как о рождении одной Вселенной. А сейчас, когда мы понимаем, что таких вселенных и больших взрывов бесконечное количество, то становится невозможно обсуждать сотворение всего этого единым богом».
Первые мгновения творения
Жизнь Вселенной сегодня принято делить на несколько периодов:
1045 1035 с после Большого взрыва. Вселенная начала расширяться и охлаждаться. В этот период гравитационное взаимодействие отделилось от остальных фундаментальных взаимодействий.
1035 1032 с после Большого Взрыва. Вселенная преимущественно заполнена излучением, но уже начинают образовываться кварки, электроны и нейтрино.
1032 1012 с после Большого Взрыва. Температура Вселенной всё ещё очень высока. Поэтому электромагнитные взаимодействия и слабые взаимодействия пока представляют собой единое электрослабое взаимодействие. При очень высоких энергиях образуются экзотические частицы W-бозон, Z-бозон и бозон Хиггса.
1012 106 с после Большого Взрыва. Электромагнитное, гравитационное, сильное и слабое взаимодействия эволюционируют к их современному состоянию. Температуры и энергии все еще слишком велики, чтобы кварки группировались в адроны.
106 1 с после Большого Взрыва. Кварк-глюонная плазма охлаждается, и кварки группируются в адроны, образуя протоны и нейтроны. Примерно через 1 с после Большого Взрыва нейтрино высвобождаются и начинают свободно двигаться в пространстве. Сегодня эти частицы ведут себя аналогично фоновому реликтовому излучению, которое возникло значительно позже них.
1 с 3 мин после Большого Взрыва. Материя достаточно охладилась для образования стабильных протонов и нейтронов (нуклонов). Начался процесс первичного нуклеосинтеза (синтеза ядер). За это время образовался первичный состав звёздного вещества: около 25% гелия-4, 1% дейтерия, следы более тяжёлых элементов до бора и водород.
379 000 лет после Большого Взрыва. Вселенная стала достаточно холодной (3000° К) для образования атомов. Из состояния плазмы материя перешла в газообразное состояние. Тепловое излучение той эпохи мы можем наблюдать в наше время в виде реликтового излучения. За счёт гравитационного притяжения вещество во Вселенной начинает распределяться по обособленным скоплениям (кластерам). Предполагается, что первыми плотными объектами в тёмной Вселенной были квазары. Затем начали образовываться ранние формы галактик и газопылевых туманностей. Появляются первые звёзды, в которых происходит синтез элементов тяжелее гелия.
89 миллиардов лет после Большого Взрыва. Начали образовываться структуры, соизмеримые по масштабу с нашей Солнечной системой. Звезда, которую мы называем Солнцем, появилась относительно поздно. Есть гипотеза, что часть массы Солнца включает в себя остатки более ранних звёзд.
Из всего этого явствует, что первые химические элементы во Вселенной появились между первой секундой и третьей минутой ее существования. Ими стали водород (Н) и гелий (Не) самые легкие элементы в природе. Ядро стабильного водорода (водорода-1 или протия) содержит всего один протон и больше ничего. Есть у водорода два изотопа водород-2 (дейтерий (D) от греч. Δεύτερον второй) и водород-3 (тритий (T)). В ядре дейтерия, кроме протона, появляется еще один нейтрон. А в ядре трития вместе с одним протоном живут два нейтрона. Поэтому масса атома дейтерия больше массы атома протия или просто водорода, а тритий тяжелее дейтерия. Дейтерий называют тяжелым водородом, а тритий сверхтяжелым водородом.
Итак, к протону добавили всего один нейтрон, получили новый изотоп водорода почти его близнец. Но близнец оказался не вполне похожим на своего братца. Он так же стабилен, как и протий, в том смысле, что его ядро не стремится распадаться протон и нейтрон мирно сосуществуют до бесконечности. Дейтерий, подобно водороду-1, образует воду, но с химической формулой не Н
2
2
В природной воде на один атом дейтерия приходится 6400 атомов водорода-1. Это означает, что в крайне незначительном количестве в любой луже или ручье содержится тяжелая вода. Правда, в этом ничего страшного нет такая мизерная доля дейтерия совершенно не опасна для здоровья даже при кипячении и выпаривании воды. Между прочим, человек может без видимого вреда выпить даже несколько стаканов чистой тяжёлой воды весь дейтерий будет выведен из организма через несколько дней.
Тяжёлая вода гораздо менее токсична, чем, скажем, поваренная соль. Есть даже запатентованный метод лечения гипертонии тяжёлой водой в суточных дозах до 1,7 г дейтерия на 1 кг веса пациента.
Еще одно свойство тяжелой воды объясняется тяжестью появившегося нейтрона. Добавленный к протону нейтрон увеличил массу ядра дейтерия по сравнению с протием. Ядро дейтерия стало тяжелым настолько, что может приостанавливать бег летящих на него посторонних нейтронов, как спортивная груша останавливает удар кулака боксера. Поэтому дейтерий в виде тяжёлой воды используют в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах. Впрочем, это не единственное применение дейтерия в обыденной жизни. Кроме всего прочего, дейтерий считается ядерным топливом для энергетики будущего, основанной на управляемом термоядерном синтезе.
Если к протону добавить два нейтрона получаем второй изотоп водорода: тритий. Он уже, в отличие от своих родных братьев, протия и дейтерия, радиоактивен. Радиоактивность означает нестабильность ядра атома, его способность излучать частицы и постепенно превращаться в другой химический элемент. Период полураспада трития чуть более 12 лет. То есть через 12 лет половина нестабильных нейтронов из трития улетает навсегда. А на протяжении всех 12 лет тритий непрерывно излучает нейтроны. Хулиганит, одним словом.
Радиоактивность ядра атома трития проявляется в излучении этим ядром электронов и нейтрино. Откуда же берутся электроны и нейтрино, спросите вы, если в ядре трития, кроме протона и двух нейтронов ничего не было? Это и есть чудеса микромира настоящее волшебство.
Оказывается, нейтрон способен превращаться в протон, выбрасывая из себя электрон и нейтрино, как Царевна-лягушка лягушечью кожу. «Все дело в том, рассказывает физик-теоретик из Лаборатории теоретической физики Объединенного института ядерных исследований, доктор физико-математических наук Олег Теряев, что нейтрон совсем чуть-чуть тяжелее протона всего на 1 процент. Этот один процент образуют масса электрона, масса нейтрино и энергия, которая выделяется, когда электрон и нейтрино покидают нейтрон. Только благодаря этой однопроцентной разнице массы протона и нейтрона мы живем в столь разнообразном мире, составленном из целого множества элементарных частиц. Если бы нейтрон был тяжелее протона не на один, а, скажем, на два процента, то ядра всех атомов, кроме атома водорода, были бы нестабильны и распадались. Тогда в мире остался бы лишь один химический элемент водород. Потому что его ядро состоит из одного протона и не содержит нейтронов (в ядра других элементов нейтроны входят). А если бы протон был тяжелее нейтрона, то во Вселенной не было бы вообще ни одного химического элемента. Отчего? Оттого что протоны в этом случае притягивали бы электроны с орбиты своего же атома и, взаимодействуя с ними, превратились бы в нейтроны. Тогда весь мир состоял бы только из нейтронов».
Еще раз поразимся тому, что мир, в котором мы живем, невероятное чудо творения. Все параметры нашей Вселенной подобраны так, чтобы жизнь в ней могла существовать во всем ее разнообразии. Короче: наша Земля и мы сами это антропный принцип в действии.
Почему одни элементы есть в природе, а других нет
То, что на Земле существуют железо и медь, люди знали еще несколько тысяч лет назад. Потому, что видели и то, и другое своими глазами и использовали для своих нужд. Если мы можем видеть что-то ежедневно, значит, по нашим меркам, это что-то существует вечно. А вечно ли живут химические элементы, и существует ли для них вечность?
Только через 379 тысяч лет после Большого Взрыва Вселенная охладилась настолько, чтобы из протонов, нейтронов и электронов во всех возможных их сочетаниях стали образовываться атомы химических элементов.
Из состояния плазмы вещество переходило в газообразное состояние. Сохранившееся тепло той эпохи до сих пор доходит до нас из космических далей в виде реликтового излучения. Силы гравитации заставляли сбиваться появившееся вещество в обособленные скопления кластеры. Считается, что первыми плотными объектами Вселенной были квазары. Затем начали образовываться ранние формы галактик и газопылевых туманностей. Постепенно появлялись первые звёзды, в которых происходил синтез химических элементов тяжелее гелия. Эту гипотезу подтвердила находка Ричарда Эллиса из Калифорнийского технологического института (в просторечии Калтех). 11 июля 2007 г. на 10-метровом телескопе Keck II он обнаружил 6 звёздных скоплений, которые образовались 13,2 миллиардов лет тому назад. Значит, они возникли, когда Вселенной было всего 500 миллионов лет.
Спустя 89 миллиардов лет после Большого Взрыва стали появляться структуры, соизмеримые по масштабу с нашей Солнечной системой. Дающая Земле жизнь звезда по имени Солнце образовалась относительно поздно. Существуют догадки, будто часть массы Солнца представляет собой остатки более ранних звёзд.
Но вернемся к элементам и радиоактивности. Сколько элементов образовалось вследствие Большого взрыва, человечеству доподлинно неизвестно. Физики предполагают, что природа создала до трехсот химических элементов. Большая часть из них оказались короткоживущими и в процессе радиоактивного распада исчезли, превратившись в те элементы, которые живут вечно. Именно они, вечные (по меркам человека), и окружают нас сегодня на Земле.
Вечным мы обычно считаем то, что наблюдаем всю жизнь и что помнят еще наши дальние предки. Но в случае с химическими элементами такое понимание вечности не подходит. Обычно химический элемент, встречающийся в природе, состоит из нескольких изотопов, часть которых радиоактивна. К примеру, щелочной металл калий с атомной массой 39,098 номер 19 в таблице Менделеева является смесью трех изотопов: двух стабильных
39
41
40
39
Радиоактивный изотоп калия
40
40
40
Метод радиоизотопных датировок позволил установить возраст Земли: 4,6 5 миллиардов лет. Эти цифры получены, исходя из предположения, что горные породы и минералы, обнаруженные на поверхности Земли, не могли быть свидетелями образования планеты. Максимальный возраст Земли ограничен возрастом самых ранних в Солнечной системе тугоплавких метеоритных включений, содержащих кальций и алюминий. По результатам современных исследований ураново-свинцовым изотопным методом, возраст калициево-алюминиевых включений из упавшего в Мексике 8 февраля 1969 года метеорита Альенде (принадлежащего к классу углистых хондритов) составляет 4568,5±0,5 млн. лет. На сегодняшний день это лучшая оценка возраста Солнечной системы. Земля могла сформироваться позже этой даты на миллионы и даже многие десятки миллионов лет, но никак не раньше.
Это означает, что элементы, которые живут существенно меньше 4,6 миллиардов лет, могли не дожить до появления человека на Земле. Поэтому мы о них ничего не знаем.
Радиоизотопный метод помог наполнить датами историю развития жизни на Земле. Ведь до появления этого метода календарь событий, происходивших на нашей планете, был относительным. Относительный возраст горных пород геологи вычисляли с помощью данных палеонтологов, изучавших останки растений и животных.
Палеонтологи разделили историю Земли на отрезки времени. Два самых масштабных интервала (эона) докембрий и фанерозой. Самый древний докембрий. В этот период существовали только мягкотелые организмы, не оставившие следов в осадочных породах. Фанерозой начался около 542 млн лет назад «кембрийским взрывом» появлением множества видов моллюсков и других организмов, «наследивших» своими ископаемыми остатками в нынешних пластах пород.
Эоны ученые разделили на эры, эры на периоды. Если в пласте известняка геологи находили панцирь трилобита, то уверенно утверждали, что известняк образовался в палеозойскую эру, когда жили эти существа. Крупнейшие месторождения угля в Донбассе и Кузбассе образовались в каменноугольном периоде палеозойской эры фанерозоя, когда появились деревья и пресмыкающиеся. Поволжские крупные месторождения нефти заключены в породах, которые отлагались во время предшествовавшего каменноугольному девонского периода палеозойской эры, когда вышедшие на сушу рыбы трансформировались в земноводных, а растения стали размножаться спорами. Знаменитые месторождения фосфоритов в Южном Казахстане приурочены к осадкам морей кембрийского периода, самого раннего периода палеозоя эпохи «кембрийского взрыва».