Астрофизика начинающим: как понять Вселенную

Почему это так здорово – быть в растерянности

Вы, возможно, заметили, что я употребляю слово «растерянность» уже не в первый раз. Люди часто думают, что ученые агрессивны и всегда уверены в себе. Но на самом деле нам нравится, когда Вселенная загоняет нас в тупик. Мы любим быть в растерянности и недоумении. Это совершенно восхитительно. Это именно то чувство, которое каждый день гонит нас за работу. Если вы ученый, вы должны научиться принимать состояние незнания и радоваться ему. Ведь если вы знаете все ответы, вам не над чем работать и остается просто сидеть дома.

И охота идет. Теперь, когда мы знаем, что темная энергия – это реальность, множество групп астрофизиков вступили в гонку за то, чтобы разгадать ее секрет. Может быть, они добьются успеха. А может быть, нам потребуется альтернатива общей теории относительности. Возможно, существует теория темной энергии, которая еще ждет, когда ее откроет еще не родившийся на свет умник. А может, будущий гений как раз сейчас читает эту книгу.

7 Мои любимые элементы

В средней школе я как-то задал моему учителю вопрос, который мне казался очень простым, – вопрос о периодической таблице химических элементов. Вы увидите ее на стене в любом школьном кабинете химии или физики. На первый взгляд ее легко принять за очень запутанную настольную игру. Но это не игра. Периодическая таблица рассказывает нам обо всех 118 элементах – видах атомов во Вселенной.

В общем, я спросил учителя, откуда взялись эти элементы.

Из земной коры, ответил он.

Ясное дело. Конечно, они попали в школьную лабораторию именно оттуда. Но мне этого ответа было недостаточно. Я хотел знать, как эти элементы оказались в земной коре

Да, я был еще тот ребенок[5], и я догадывался, что ответ будет астрономическим. Элементы должны были образоваться в космосе. Но надо ли знать всю историю Вселенной, чтобы ответить на этот вопрос?

Да, надо.

Обычное вещество состоит из протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны сбиваются в плотную кучку – ядро. Электроны крутятся по орбитам вокруг ядра. Все вместе и есть то, что мы называем атомом. Элемент – это один или больше атомов одного и того же вида, с одним и тем же количеством частиц. Самый простой элемент – водород. Он состоит из одного протона и одного электрона. Один или несколько водородных атомов вместе – это и есть элемент водород.

Водород является одним из всего трех встречающихся в природе элементов – то есть тех, что мы не получаем в лаборатории или при экспериментах, – которые образовались при Большом взрыве. Все остальные сформировались в раскаленных недрах звезд и при звездных взрывах. Периодическая таблица, этакий путеводитель по элементам – очень важное научное достижение. И все-таки то и дело даже ученый не может не думать о ней как о каком-то зоопарке, состоящем из невероятно странных, причудливых, уникальных животных, как будто выдуманных доктором Зойссом[6]. Их необычным свойствам и проявлениям нет конца.

Вот натрий, ядовитый металл, который можно резать ножом, как масло. А в другом месте таблицы – хлор, зловонный, смертельно опасный газ. Периодическая таблица показывает, что эти два смертоносных элемента могут соединяться в одну молекулу. Сама эта идея кажется кошмаром. Но, соединив их вместе, вы получаете хлористый натрий – обыкновенную столовую соль.

А водород и кислород? Первый – это взрывчатый газ. Второй помогает веществам гореть. Направьте струю кислорода на пламя – оно ярко вспыхнет. Но периодическая таблица снова показывает, что они могут соединяться. И когда вы объединяете водород с кислородом, получается просто вода, которая гасит любой огонь.

Периодическая таблица полна чудес. Какой элемент ни возьми, у каждого есть странные, фантастические свойства. Но, как вы уже, должно быть, поняли, меня больше интересуют звезды. Так что позвольте мне предложить вам экскурсию по периодической таблице с точки зрения астрофизика.

Самый популярный элемент во Вселенной

Водород, самый легкий и простой из элементов, целиком образовался во время Большого взрыва. Он решительно преобладает над всеми 94 элементами, которые мы находим в природе. Из каждых трех атомов человеческого тела два – атомы водорода.

Девять десятых всех атомов во Вселенной – атомы водорода. В раскаленном огненном ядре Солнца каждую секунду сталкивается 4,5 миллиарда тонн быстро движущихся водородных атомов. Эти столкновения и обеспечивают энергию свечения Солнца.