Происхождение жизни: маленький теплый водоем - Фолсом К.
Скачать (прямая ссылка):
Во-вторых, почти все вещество Вселенной находится в виде двух простейших химических элементов — водорода и гелия. Большая часть остальных элементов: углерод,
азот, кислород, неон, магний, кремний, сера, фтор, алюминий, хлор, аргон, кальций и железо — расположена в начале периодической таблицы.
В-третьих, в спектрах почти всех галактик наблюдается доплеровское красное смещение: частоты всех фотонов уменьшены — сдвинуты по направлению к красной части спектра (рис. 1.4). Чем дальше галактика, тем больше ее красное смещение. Это означает, что галактики удаляются от наблюдателя, находящегося в любой точке пространства. Из анализа красных смещений следует, что Вселенная расширяется, поскольку все галактики удаляются друг от друга.
Но почему Вселенная расширяется? Почему распространенность элементов столь просто связана с порядком их расположения в периодической системе? Эти вопросы лежат вне поля зрения данной книги; ответы на них лучше всего искать в книгах по космологии и в теориях возникновения Вселенной. Здесь мы ограничимся условиями ближайших к нам областей пространства.
На вопрос о распространенности и видах химических элементов можно дать ответ, который хорошо согласуется с открытиями в области ядерной физики и астрономии. Однако точность этого ответа в конечном счете покоится на космологии, которая пока развита недостаточно.
Водород — наиболее часто встречающийся и самый простой элемент. Его атом состоит из одного протона и одного электрона. Если предположить, что первичное вещество Вселенной составлял исключительно водород, то можно объяснить не только наличие, но и распространенность всех остальных элементов в настоящее время.
В такой первичной Вселенной, состоящей из чистого водорода, образовались звезды (модель этого процесса будет обсуждаться в гл. 2). Звезды являются довольно крупными гравитационно связанными скоплениями вещества, в ходе образования которых температура повышается настолько, что начинают протекать ядерные реакции.
Для звезд основной ядерпой реакцией является слияние ядер атомов водорода. В зтой реакции водород пре-
О Протон
1 • 1 |»! Ф Нейтрон
• Электрон
н Не
1,0079 а^е. м. 4,0026а.е.м.
Реащия слияния атомов бодорода
4 Н --------------------> 1 Не + \ ЭНЕРГИЯ
А ”1,0079 а. еж -------------------*¦ 4,0026а.е.м. + Энергия, экЬибалентная
(4,0316 а.е. м.) 0,029а.е.м.
Рис. 1.5. Слияние атомов водорода с образованием атома гелия. Один атом гелия легче, чем четыре атома водорода; Дефект масс соответствует выделяющейся энергии излучения.
вращается в гелий с выделением энергии (рис. 1.5). Масса ядра атома гелия, состоящего из двух протонов и двух нейтронов, точно измерена и составляет 4,0026 атомной единицы массы (а. е. м.). При давлениях и температурах, достаточно высоких для того, чтобы началась реакция слияния водородных атомов, четыре атома водорода сливаются в один атом гелия. Но масса одного атома водорода равна 1,0079 а. е. м., и, следовательно, четыре его атома имеют массу 4,0316 а. е. м. Разность между массой четырех атомов водорода и массой одного атома гелия равна 0,029 а. е. м.: это — маленькое число, но именно оно движет Вселенной. По закону сохранения массы и энергии эта разность масс превращается в энергию излучения. Согласно уравнению Эйнштейна, энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света. Превращение водорода в гелий сопровождается небольшой потерей массы — 0,7 % на каждый атом гелия — и высвобождением колоссальных количеств энергии.
Реакция слияния атомов водорода, протекающая в недрах звезд, объясняет, почему гелий — первичный продукт слияния — является, согласно наблюдениям, вторым по распространенности химическим элементом. В других звездных ядерных реакциях, в которых гелий участвует в качестве компонента, образуются более тяжелые, а также нестабильные радиоактивные элементы, дающие при распаде другие тяжелые элементы.
В исключительно точных экспериментах ядерной физики были установлены наиболее вероятные участники реакций, протекающих в звездах, и определены их скорости. Самый привлекательный аспект этой области исследований состоит в том, что с помощью теоретических вычислений, основанных на этих экспериментах, можно предсказать весь известный набор элементов и их относительную распространенность, действительно наблюдающуюся во Вселенной.
Первые чисто водородные звезды угасают; некоторые из них, взрываясь как сверхновые, выбрасывают свое вещество в межзвездную среду, где теперь помимо водорода появляются более сложные элементы — продукты ядерных превращений в этих звездах.
Используя известные значения распространенности элементов и известные значения скоростей ядерных ре-
акций внутри звезд, можно вычислить возраст Вселенной. Он составляет от 10000 до 13000 млн. лет. Другой, независимый путь вычисления возраста Вселенной основан на скоростях разбегапия галактик, оцениваемых по красным смещениям. Если допустить, что Вселенная расширяется с постоянной скоростью, то этот метод приводит к тому же значению возраста — 13 000 млн. лет.
