Знание-сила, 1998 № 07 (853)

Ученые тоже могут оказаться в ситуации тех печально знаменитых журналистов из ночного выпуска «Чикаго дейли трибюн», которые в день президентских выборов 1948 года в Америке объявили, что Дьюи победил Трумэна, чтобы всего лишь через несколько часов признать, что реальные данные, пришедшие с избирательных участков, свидетельствуют о прямо противоположном. Всего лишь в марте 1996 года американский астрофизик Крэйг Хоган объявил в журнале «Астрофизикал леттерз», что ему удалось обнаружить необычайно высокое содержание дейтерия в облаке межзвездного газа, находящемся на окраине видимой Вселенной (и, стало быть, образованном на самых ранних этапах ее эволюции). И вот не прошло и года, как прижатый к стенке новыми данными Хоган вынужден был признать, что реальность выглядит несколько иначе, чем в том сценарии, который он нарисовал на основе своих прежних результатов. Группа Давида Титлера из Калифорнийского университета провела более тщательные наблюдения того же облака и показала, что количество дейтерия там куда меньше, чем по выводам Хогана, и это грустное заключение подтвердил (на основе независимых исследований) другой астрофизик из Калифорнийского университета, Лимин Лу.

Таким образом, эту историю можно считать загадкой, которая почти немедленно получила разгадку, а поскольку она касается дейтерия, хоть и не входящего в список элементов таблицы Менделеева, но являющегося изотопом одного из них и притом чуть ли не важнейшего — водорода, то всю эту забавную историю тоже можно числить по списку «элементарных загадок» Вселенной, о которых мы взялись рассказать.

Тут, однако, нужно прежде всего разъяснить, а чем, собственно, интересен дейтерий и что это такое?

Дейтерий — это тяжелый изотоп водорода, присутствующий, например, в так называемой тяжелой воде. Если атом обычного водорода состоит из одной положительно заряженной частицы — протона и одного электрона, то ядро атома дейтерия включает, кроме протона, еще и другую ядерную частицу — нейтральный нейтрон (он чуть тяжелее протона). Заряд ядра от этого, понятно, не меняется, и для нейтральности атома в целом по- прежнему достаточно одного электрона (стало быть, химические свойства дейтерия такие же, как обычного водорода), но вес ядра и атома в целом вдвое «с хвостиком» больше, чем у обычного водорода. Поэтому дейтерий и называется его тяжелым изотопом.

Остается сказать, в чем состоит его значение для науки о Вселенной. Оно состоит в том, что дейтерий — «живой свидетель» самых ранних этапов ее эволюции. Практически весь дейтерий, существующий в природе, образовался на этих этапах. Те ядра дейтерия, которые содержатся сегодня в норвежской «тяжелой воде», — почти ровесники Большого Взрыва. Им двенадцать миллиардов лет, если не больше. Это уникальные по древности образования частички вещества. Поэтому их изучение вводит исследователей прямиком в ту загадочную область, которая называется «первичным этапом эволюции Вселенной».

Теоретические расчеты показывают, что примерно через секунду после Большого Взрыва Вселенная имела температуру порядка десяти миллиардов градусов (в тысячу раз больше, чем в центре Солнца). При такой температуре уже возникали комплексы мельчайших частиц — кварков и глюонов, которые складывались в протоны и нейтроны, но эти комплексы были неустойчивы, и в результате протоны и нейтроны непрерывно превращались друг в друга. Однако при дальнейшем понижении температуры весь этот «суп» постепенно стал переходить в наиболее низкое (наиболее устойчивое) состояние, а так как протоны чуть легче нейтронов (то есть их внутренняя энергия чуть меньше), то они чуть устойчивее, и основная масса вещества превратилась в протоны. По тем же расчетам, протонов в этой ранней Вселенной было примерно в семь раз больше, чем нейтронов.