Как Вселената сътвори материя, а тя създаде човека

На ранния стадий от развитието на Вселената в нея е съществувал само водород – най-простият от всички химични елементи.

Но това било далеч недостатъчно за създаването на такива сложни обекти като планетите и човека.

С времето материята се е охладила толкова, че от протона и отрицателно заредения електрон се е образувал водородният атом; към този момент на водорода се падали около 92% от всички атоми на Вселената, а останалите осем процента практически напълно се падали на образуващите се в резултат на синтеза хелий, много малко количество литий и някои други от най-леките химични елементи.

Но за образуване на други елементи температурата на ранния етап от образуването на Вселената в този момент е била недостатъчна и в Космоса настъпила тъмна ера, продължила 380 млн. години.

След това във Вселената, с нейното разширение и охлаждане, са започнали да господстват силите на гравитацията. В тази епоха се формирали галактики, а след тях – и първите звезди. Поначало те излъчвали светлина благодарение на гравитационно свиване – щом звездата се свиела под налягането на собствената си маса, водородът силно се вплътнявал, а звездата силно се нагрявала.

Благодарение на гравитацията звездите можели да излъчват светлина в продължение на няколко милиона години, тъй като температурата в тях била напълно достатъчна, за да пусне механизма на термоядрен синтез.

Термоядреният синтез в звездите е наистина величествено явление на природата, в хода на което протича съединение на две ядра. Но не всичко е толкова просто – в повечето звезди водородните ядра не могат да се приближат достатъчно близо едно до друго и така да пуснат термоядрената реакция, тъй като колкото по-близо прилитат едно до друго, толкова по-силно се отблъскват, понеже са заредени положително.

Но тъй като двойката ядра са квантови обекти, то за сливането изобщо не им е необходимо да долитат на много близко разстояние, тъй като тук започва да действа така нареченият тунелен ефект.

Представете си, отначало двете ядра прилитат доста близо едно към друго, а в следващия момент вече се оказват съединени. Може да се сравни с това, сякаш двете ядра прилитат към стена, а в следващия момент по невероятен начин се оказват от другата страна.

Но дори и квантовото вълшебство не е достатъчно, за да продължи да гори звездата. За това е необходим не само ядрен синтез, но и продуциране на нещо стабилно. В резултат на синтеза на двата протона се образува хелий-II (съдържа два протона без неутрони); той е изключително нестабилен и веднага се разпада на два протона.

Заедно с това съществува вероятност (1/10000), че един от протоните ще се превърне в неутрон, в резултат на което се получава стабилен водороден изотоп – деутерий. На свой ред при синтез на водорода и деутерия се образува устойчивият изотоп хелий, при това се освобождава гигантско количество енергия – именно така се разкрива гигантският творчески потенциал на звездите.

В неголемите звезди водородът бил единственият елемент, който вземал участие в термоядрения синтез; при намаляване на неговите запаси звездата угасвала.

Но след като най-големите от първите звезди напълно изгаряли целия си водород с образувания хелий, горенето в тях продължавало по други закони – щом звездата престанела да изгаря водород, налягането в нея спадало, но гравитацията отново започвала да я свива, вследствие на което температурата в звездата нараствала.

И щом тя достигнела сто милиона градуса по Келвин, хелият започвал да се превръща в берилий (ядрото на берилия се състои от четири протона); в резултат от взаимодействието на хелия и берилия се получавал въглерод (в неговото ядро има седем протона), а това вече е основният елемент за живот на Земята.

Синтезът на въглерода протичал в горещите недра на звездата; но му предстояло да измине още дълъг и много дълъг път, преди да стане част от човешкия организъм.

От въглерода в резултат на синтез се появили азот и кислород (в техните ядра има съответно седем и осем протона), а това са още два елемента, необходими за появата на живот; от тези два елемента в резултат на верижни реакции може да се получи желязо (26 протона).

Но трансформацията на желязо в по-тежки елементи не се съпровожда с отделянето на енергия, както при термоядрения синтез на по-леките елементи – напротив, при образуването на желязо протича поглъщане на енергия.

Ако по-леките елементи при термоядрен синтез винаги са се превръщали в по-тежки, то тогава реакцията на синтез в недрата на звездите протичала в продължение на неопределено дълго време, докато светилото не се превърнело в неутронна звезда – огромна еднородна топка, състояща се от ядрен материал.

Но тъй като при термоядрения синтез желязото на ядрото на звездата се охлаждало, то и самата реакция на синтез отслабвала. След нейното прекратяване първите масивни звезди, появили се след Големия взрив, започнали да се свиват под действието на гравитацията.

Това водело до взрив на свръхнова, който се съпровождал с мощно изхвърляне на вещество от външната обвивка на звездата, богата на въглерод, азот и кислород, в междузвездното пространство с едновременно свиване на звездното ядро, което след това се превръщало в неутронна звезда.

Дълго се смяташе, че разнообразието от химични елементи, които ни заобикалят, напълно е обусловено от термоядрения синтез и взривовете на свръхнови. Но сега знаем, че образуването на тези елементи е изиграло своята важна роля и в други екзотични процеси.

Както показали наскоро проведени изследвания, златото и останалите рядко срещани тежки химични елементи се образуват в голямо количество при сблъсък на две неутронни звезди. Напълно е вероятно в резултат на един такъв сблъсък да се е образувало цялото злато, присъстващо на нашата планета.

Превръщането на водорода в други химични елементи е протичало благодарение на редки по своята природа космически явления и квантови процеси.

Първородната материя и човека се обединяват помежду си от дълга верига случайности. Вероятността от появата на всяко от звената на тази верига е много малка; освен това голяма роля в неговото възникване играе и самият характер на всеки от физичните процеси.

Например, ако нивото на силното ядрено взаимодействие, задържащо заедно двата протона, беше с два процента по-голямо, то тогава изотопът хелий-II би се оказал стабилен; в такъв случай термоядрената реакция би протекла още по-леко, а първото поколение горещи и плътни звезди изобщо не би се появило.

Ако характерът на протичане на всеки от физичните процеси се имени, то нашата Вселена днес би изглеждала различно, а човекът най-вероятно изобщо не би се появил.

Понякога за казаното по-горе учените използват израза фина настройка на Вселената, в основата на който лежи идеята, че съществуването на живот на първо място зависи от такива явления като термоядрения синтез, протичащ в звездите не произволно, а по строго определен начин.

Именно този факт накарал някои учени да обърнат поглед към теологично обоснования произход на Вселената, докато други клонили към противоположната гледна точка.

Във всеки случай е ясно едно – ние сме производство на Вселената. Всичко, което сме, и всичко, което виждаме около нас, е водород, трансформиран под действието на гравитацията и времето.

Авторът на тази статия – Браян Кобърлейн, е астрофизик, професор по физика от Рочестърския технологичен институт (RIT). Автор на статии в областта на астрономията и астрофизиката, публикувани в неговия блог One Universe at a Time.