Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе

Возвращаясь к заполнению орбиталей, вспомним, что спин электронов часто обозначался стрелкой, направленной вверх или вниз. Это именно та двузначность, о которой говорил Паули. У каждого электрона спин равен ½; так же обстоит дело и с нуклонами – протоном и нейтроном. В широком смысле в квантовой физике спин может принимать любой знак: в случае электрона это ½ или —½. Знак не имеет большого значения: как мы уже упоминали, спин – абстрактная внутренняя степень свободы. Поэтому ½ или —½ – это всё равно, что n или p, 0 или 1, ☺ или 🙁 – в общем, вы поняли. Важно, что у двух фермионов со спином ½ спин не может быть направлен в одну сторону, если эти частицы занимают один и тот же участок пространства, то есть связаны друг с другом.

Поэтому в дипротоне спины протонов должны быть направлены в противоположные стороны, иначе протоны находились бы в одном и том же квантовом состоянии, что нарушило бы принцип запрета Паули. То же самое относится и к динейтрону. Однако в дейтероне протон и нейтрон могут иметь одинаковое значение спина, так как они различаются по другому параметру – например, массой.

Кирпичик, который не встаёт на место

Спины, нуклоны, запреты… фууух! Пора подводить итоги. Итак, мы в ранней Вселенной. Температура уже снизилась, но протоны и нейтроны ещё свободны. Пора им начать объединяться. Возможности у них такие: дипротон или динейтрон с противоположно направленными спинами нуклонов или дейтерон, у которого спины могут иметь любые ориентации. Здесь – ключевой момент для утечки сильного взаимодействия из нуклонов: всё дело в спинах. Когда спины двух нуклонов противоположны, при их сложении получается 0. Когда одинаковы – они удваиваются. Больше спин – сильнее связь. Фактически, энергия связи дипротона и динейтрона отрицательна: они просто разлетятся! Энергия связи дейтерона невелика, но для его разрушения всё равно требуется достаточно высокая температура.

Когда речь идёт о ядерных или даже химических реакциях, интересно определить вероятность их осуществления (или скорость, с которой они происходят). Если мы знаем, как часто происходит та или иная реакция, можно легко предсказать, какое количество каждого элемента мы найдём во Вселенной после окончания реакции. Скорость её хода зависит от трёх факторов: от энергии, необходимой для её начала (энергии связи, масс реагентов и продуктов реакции), от имеющейся энергии (температуры окружающего излучения) и, конечно, от наличия реагентов. Для нуклонов нам эти энергии известны, поэтому мы можем вычислить скорости реакций и оценить ожидаемое количество каждого элемента во Вселенной.

Протоны могут превращаться в нейтроны и наоборот. Из-за того, что масса нейтрона немного больше, этот процесс асимметричен. Большая масса соответствует большей энергии, поэтому во Вселенной больше протонов, чем нейтронов: измерения показывают, что на семь протонов приходится примерно один нейтрон, причём это отношение установилось в первую секунду Большого Взрыва. Почему же нейтроны перестали распадаться, превращаясь в протоны, если последние находятся в более благоприятных условиях? Ну, они бы и не прочь, но они уже были связаны в ядрах атомов! Если бы не образование элементов, ни одного нейтрона во Вселенной не осталось бы. Когда спустя первую минуту после Большого взрыва температура упала, началось образование дейтерия. Температура была достаточно низкой, чтобы связи в дейтероне не разорвались. Потом пришло время образования более тяжёлых элементов: первым стал формироваться самый устойчивый из них, ге-лий-4 – и гонка началась… правда, тут же и закончилась! Более массивные ядра требовали больше энергии, и температура вновь стала падать. Что ещё хуже, запас нейтронов для дальнейших реакций был слишком мал. По сути, всего через несколько минут все нейтроны, созданные в ходе Большого Взрыва, оказались в составе гелия-4 (хотя какое-то их количество всё же попало в следующий по возрастанию массы элемент, литий). А как же оставшиеся «лишние» протоны? Что ж, они стали просто водородными ядрами, в том числе и теми, которые теперь входят в состав каждой молекулы воды в вашем теле.

Идея формирования химических элементов в первые несколько горячих и яростных минут существования Вселенной считается большим успехом современной космологии. Подробности этой картины сложились в одно целое в 1940-х и 1950-х. Это было время «большого взрыва» (каламбур просто напрашивается) в исследованиях ядерных реакций, исследованиях, вызванных развитием ядерной энергетики и, что греха таить, ядерного оружия. В лабораториях всего мира физики-ядерщики работали над измерениями скоростей реакций и добивались понимания условий, необходимых для расщепления или слияния атомных ядер. А теоретики, вооружённые бумагой, перьями и первыми электронными вычислительными машинами, решали невероятно запутанные системы уравнений квантовой механики, которые описывают взаимодействие частиц и атомных ядер.