Масса ядра атома гелия равна 0,993 (99,3%) массы двух протонов и двух нейтронов. В процессе реакции 0,007 (0,7%) массы превращается в энергию, в основном, в тепло. Это число 0,007 и есть энергия связи ядра атома. Она связана с ядерной силой, которая удерживает вместе протоны атома. Рис пишет: «количество освобожденной в процессе реакции энергии зависит от силы, которая „склеивает“ те частицы, из которых состоит ядро» (Rees. 2000. P. 48). Чем больше энергия связи, тем больше ядерная сила. Протоны в ядрах заряжены положительно, а положительные заряды должны отталкивать друг друга. Но сильное ядерное взаимодействие преодолевает это разнонаправленное движение и удерживает протоны вместе. Мы не чувствуем этих сил, поскольку все они проявляются только на уровне атомов.
Если бы значение E было немного другим, атомная структура была бы совсем другой. Например, если бы значение е было равно 0,006 вместо 0,007, это бы означало, что ядерная сила была бы меньше, чем сейчас. Этого было бы достаточно, чтобы не дать возможности появиться элементам более тяжелым, чем водород. Более тяжелые элементы формируются с помощью новых протонов в ядре атома. Водород, в ядре которого один протон, является самым легким элементом. У железа 26 протонов. Но путь к железу и к более тяжелым элементам лежит через водород и гелий. В ядре гелия обычно два протона и два нейтрона. Значит, переход от водорода к гелию требует еще одного шага, – превращения водорода в дейтерий, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона. Потом два ядра дейтерия соединяются и образуют одно ядро гелия с двумя протонами и двумя нейтронами. Сила энергии связи протонов и нейтронов в ядре атома гелия высвобождает некоторое количество энергии. Итак, если эта энергия связи была бы 0,006 общей массы протонов и нейтронов вместо 0,07, ядерная сила была бы меньше и не дала бы нейтрону соединиться с протоном. Тогда не смогло бы образоваться ядро дейтерия, и, следовательно, не было бы и ядра гелия. Атомы водорода продолжали бы сгущаться в плотные массы, и эти массы бы нагревались. Но реакций бы не происходило, и звезд бы не было. Никаких других элементов бы не возникло. Не было бы ни жизни, ни планет в том виде, в каком они есть сейчас.
Если бы значение е было равно 0,008 вместо 0,007, ядерная сила стала бы, соответственно, немного больше, чем есть. Тогда бы возникла другая проблема в процессе возникновения элементов. Как мы уже поняли, ядерная сила необходима, чтобы удержать протоны вместе. В нашей реальности эта сила не настолько мощна, чтобы стабильно удерживать два протона рядом. Два протона вместе называются дипротон. Во вселенной нет стабильных дипротонов. Это объясняется тем, что сила взаимного отторжения двух положительно заряженных протонов больше, чем энергия связи ядра. Однако этой энергии с числовым значением 0,007 достаточно для того, чтобы привязать протоны к нейтронам, и таким образом получить дейтерий. А уже из двух атомов дейтерия получается атом гелия. Это возможно благодаря тому, что нейтроны дают недостающую энергию связи для удержания двух протонов. Поскольку нейтроны несут нулевой электрический заряд, им не нужна вспомогательная сила отторжения. Давайте теперь посмотрим, что было бы, если бы е было равно 0,008. Тогда два протона смогли бы слиться, получился бы дипротон, изотоп гелия с двумя протонами и без нейтронов. Это значит, что все атомы водорода (в которых по одному протону) в самом начале появления вселенной сформировались бы в дипротоны. В нашей реальности только некоторые атомы водорода становятся атомами дейтерия и гелия, и для этого требуется довольно много времени. Таким образом, во вселенной остается и водород, поскольку он необходим для существования жизни. Барроу и Типлер рассуждали следующим образом: «Если и без того сильное взаимодействие было бы немного сильнее, дипротоны стали бы устойчивыми, и это привело бы к катастрофе – весь водород во вселенной преобразовался бы в гелий на ранней стадии развития вселенной, и сегодня бы не существовало ни водорода, ни постоянных звездных систем. Если бы существовали стабильные дипротоны, – нас бы не существовало!» (Barrow, Tipler. 1996. P. 322). Без водорода не существовало бы и воды, а, следовательно, – и жизни. Постоянные звездные образования так же не смогли бы существовать, потому что водород нужен им как топливо.
Превращение гелия в углерод также может происходить лишь при тех условиях, что существуют в нашей вселенной – и никаких иных (Barrow, Tipler. 1996. Pp. 250–253). Как утверждают современные специалисты по космологии,первые поколения звезд сжигают ядра атомов водорода, и в процессе реакции появляются атомы гелия. Когда в звезде кончается водород, гелиевая сердцевина звезды становится все плотнее. Поднимается температура внутри звезды, и в определенный момент гелий превращается в углерод. У гелия в ядре 2 протона. У углерода же – 6. Теоретически, 3 ядра атома гелия могут превратиться в ядро атома углерода. Но на практике получается по-другому, поскольку очень маловероятно, что 3 ядра атомов гелия могут в одно мгновение столкнуться именно так, чтобы произвести ядро атома углерода. Происходит другой процесс. Сначала 2 ядра атомов гелия в процессе реакции образуют ядро бериллия с 4 протонами. Потом ядра атомов бериллия сливаются с другими атомными ядрами гелия и образуют атомное ядро углерода. Проблема в том, что атомное ядро бериллия нестабильно и довольно быстро разрушается обратно в атомное ядро гелия. Поэтому, казалось бы, углерода должно производиться совсем мало, – значительно меньше, чем те количества, в которых он реально существует во вселенной. Но английский астроном Фрэд Гойл доказал, что у атомных ядер углерода есть определенный уровень резонансной энергии, который находится чуть выше, чем общий уровень энергий бериллия и гелия. Бериллий и гелий получают дополнительную энергию из тепла солнечного ядра и поднимают атомы бериллия и гелия на нужный уровень, и тогда они быстрее могут превращаться в атомы углерода. Возможно, что весь, таким образом произведенный, углерод мог бы сразу превращаться в кислород, если бы атомные ядра углерода сливались с атомными ядрами гелия. Но уровень резонансной энергии атомов кислорода ниже, чем совместная энергия углерода и гелия. Благодаря такому стечению обстоятельств, реакции между углеродом и гелием не происходит. Таким образом, у нас есть достаточное количества углерода для того, чтобы могла существовать жизнь. Рис отмечал: «Эти „случайные“ совпадения в ядерной физике допускают образование углерода, но на следующей стадии, где должен, по идее, формироваться кислород, этого не происходит. Скорость реакции сильно зависит от силы ядерных взаимодействий.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204
Если бы значение E было немного другим, атомная структура была бы совсем другой. Например, если бы значение е было равно 0,006 вместо 0,007, это бы означало, что ядерная сила была бы меньше, чем сейчас. Этого было бы достаточно, чтобы не дать возможности появиться элементам более тяжелым, чем водород. Более тяжелые элементы формируются с помощью новых протонов в ядре атома. Водород, в ядре которого один протон, является самым легким элементом. У железа 26 протонов. Но путь к железу и к более тяжелым элементам лежит через водород и гелий. В ядре гелия обычно два протона и два нейтрона. Значит, переход от водорода к гелию требует еще одного шага, – превращения водорода в дейтерий, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона. Потом два ядра дейтерия соединяются и образуют одно ядро гелия с двумя протонами и двумя нейтронами. Сила энергии связи протонов и нейтронов в ядре атома гелия высвобождает некоторое количество энергии. Итак, если эта энергия связи была бы 0,006 общей массы протонов и нейтронов вместо 0,07, ядерная сила была бы меньше и не дала бы нейтрону соединиться с протоном. Тогда не смогло бы образоваться ядро дейтерия, и, следовательно, не было бы и ядра гелия. Атомы водорода продолжали бы сгущаться в плотные массы, и эти массы бы нагревались. Но реакций бы не происходило, и звезд бы не было. Никаких других элементов бы не возникло. Не было бы ни жизни, ни планет в том виде, в каком они есть сейчас.
Если бы значение е было равно 0,008 вместо 0,007, ядерная сила стала бы, соответственно, немного больше, чем есть. Тогда бы возникла другая проблема в процессе возникновения элементов. Как мы уже поняли, ядерная сила необходима, чтобы удержать протоны вместе. В нашей реальности эта сила не настолько мощна, чтобы стабильно удерживать два протона рядом. Два протона вместе называются дипротон. Во вселенной нет стабильных дипротонов. Это объясняется тем, что сила взаимного отторжения двух положительно заряженных протонов больше, чем энергия связи ядра. Однако этой энергии с числовым значением 0,007 достаточно для того, чтобы привязать протоны к нейтронам, и таким образом получить дейтерий. А уже из двух атомов дейтерия получается атом гелия. Это возможно благодаря тому, что нейтроны дают недостающую энергию связи для удержания двух протонов. Поскольку нейтроны несут нулевой электрический заряд, им не нужна вспомогательная сила отторжения. Давайте теперь посмотрим, что было бы, если бы е было равно 0,008. Тогда два протона смогли бы слиться, получился бы дипротон, изотоп гелия с двумя протонами и без нейтронов. Это значит, что все атомы водорода (в которых по одному протону) в самом начале появления вселенной сформировались бы в дипротоны. В нашей реальности только некоторые атомы водорода становятся атомами дейтерия и гелия, и для этого требуется довольно много времени. Таким образом, во вселенной остается и водород, поскольку он необходим для существования жизни. Барроу и Типлер рассуждали следующим образом: «Если и без того сильное взаимодействие было бы немного сильнее, дипротоны стали бы устойчивыми, и это привело бы к катастрофе – весь водород во вселенной преобразовался бы в гелий на ранней стадии развития вселенной, и сегодня бы не существовало ни водорода, ни постоянных звездных систем. Если бы существовали стабильные дипротоны, – нас бы не существовало!» (Barrow, Tipler. 1996. P. 322). Без водорода не существовало бы и воды, а, следовательно, – и жизни. Постоянные звездные образования так же не смогли бы существовать, потому что водород нужен им как топливо.
Превращение гелия в углерод также может происходить лишь при тех условиях, что существуют в нашей вселенной – и никаких иных (Barrow, Tipler. 1996. Pp. 250–253). Как утверждают современные специалисты по космологии,первые поколения звезд сжигают ядра атомов водорода, и в процессе реакции появляются атомы гелия. Когда в звезде кончается водород, гелиевая сердцевина звезды становится все плотнее. Поднимается температура внутри звезды, и в определенный момент гелий превращается в углерод. У гелия в ядре 2 протона. У углерода же – 6. Теоретически, 3 ядра атома гелия могут превратиться в ядро атома углерода. Но на практике получается по-другому, поскольку очень маловероятно, что 3 ядра атомов гелия могут в одно мгновение столкнуться именно так, чтобы произвести ядро атома углерода. Происходит другой процесс. Сначала 2 ядра атомов гелия в процессе реакции образуют ядро бериллия с 4 протонами. Потом ядра атомов бериллия сливаются с другими атомными ядрами гелия и образуют атомное ядро углерода. Проблема в том, что атомное ядро бериллия нестабильно и довольно быстро разрушается обратно в атомное ядро гелия. Поэтому, казалось бы, углерода должно производиться совсем мало, – значительно меньше, чем те количества, в которых он реально существует во вселенной. Но английский астроном Фрэд Гойл доказал, что у атомных ядер углерода есть определенный уровень резонансной энергии, который находится чуть выше, чем общий уровень энергий бериллия и гелия. Бериллий и гелий получают дополнительную энергию из тепла солнечного ядра и поднимают атомы бериллия и гелия на нужный уровень, и тогда они быстрее могут превращаться в атомы углерода. Возможно, что весь, таким образом произведенный, углерод мог бы сразу превращаться в кислород, если бы атомные ядра углерода сливались с атомными ядрами гелия. Но уровень резонансной энергии атомов кислорода ниже, чем совместная энергия углерода и гелия. Благодаря такому стечению обстоятельств, реакции между углеродом и гелием не происходит. Таким образом, у нас есть достаточное количества углерода для того, чтобы могла существовать жизнь. Рис отмечал: «Эти „случайные“ совпадения в ядерной физике допускают образование углерода, но на следующей стадии, где должен, по идее, формироваться кислород, этого не происходит. Скорость реакции сильно зависит от силы ядерных взаимодействий.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204