Когато сме се вгледали в небесата, сме си задали въпроса - от къде сме дошли?
Как са били създадени всички звезди и как са възникнали елементите
и дори, от къде води началото си самата Вселена.
Едно от най-големите ни постижения е, че сме си отговорили на тези въпроси.
Наистина е забележително, че това познание е получено,
чрез изучаване на най-малките градивни частици на материята - атомите.
Когато сме погледнали навътре сме разбрали, че можем да обясним това,
което виждаме навън.
Атомът ни е помогнал да разкрием най-големите загадки на битието.
ATOM Ключът към космоса
Всичко в заобикалящия ни свят е изградено от миниатюрни обекти - атоми.
Доказали сме тяхното съществуване едва в началото на ХХ-ти век.
Първото шокиращо откритие било, колко мънички са те.
По-малко от милионна част от милиметъра в диаметър.
Има трилиони от тях в една-единствена песъчинка.
Удивително е, но ние знаем точния брой атоми в позната ни вселена.
Отчитайки обширността на вселената и миниатюрността на атома,
не е изненадващо, че това е невъобразима за ума огромна цифра,
единица, следвана от повече от седемдесет нули.
Това са трилион, трилион, трилион, трилион, трилион трилиона атома.
Ние не само знаем количеството атоми в космоса,
но също така и че са 92 на брой различни вида.
Те се наричат елементи и много от тях са ви известни
като отдавна познати съставни части на обкръжаващия ни свят.
Кислород, желязо, въглерод, олово, злато и други.
Всичко във вселената - звездите, планетите, планините, моретата,
животните, вие и аз, всички ние сме изградени
от тези атоми или техни комбинации.
Наше удивително достижение е, че днес ние знаем
не само, колко са атомите във вселената
и колко различни типове от тях има, но и защо изобщо те съществуват.
Вече можем да обясним, как е бил създаден всеки един от тези
трилион, трилион, трилион, трилион, трилион трилиона атома.
Оказва се, че отговорът на загадката за самото творение,
се намира в сърцето на всеки един атом във вселената.
Историята за това, как сме достигнали до разбирането на сътворението,
започва преди 100 години
в малка лаборатория в югоизточен Париж.
Този лист хартия е забележителна реликва.
Той е от тетрадката на една жена, която първа е изследвала радиоактивността-
химичката Мари Кюри.
Не е за вярване - и след 100 години хартията все още
излъчва радиоактивни частици.
На снимката в ляво се вижда концентрацията на радиоактивност.
Върху нея могат да се видят отпечатъци от пръстите на Кюри.
Но най-невероятна е мощта, енергията на радиоактивността
на това късче хартия, което все още излъчва
радиоактивни частици 100 години по-късно.
По хартията има прилепнали миниатюрни, но силно радиоактивни частици
от вещество, открито от Мария Кюри през 1898 г.,
което тя нарекла радий.
Това било сензационно откритие по една основна причина.
Макар радият да изглеждал като невзрачен сив метал,
той противоречал на всички известни научни закони.
Радият излъчвал невидими, но мощни лъчи енергия,
които можели да осветят фотографска хартия и да изгарят човешката плът.
Те напомняли на радиовълни, затова Кюри нарекла радия радиоактивен.
Но тези вълни били милион пъти по-мощни от която и да е позната радиовълна.
Също така изглеждало, че радият съдържа в себе си
неизчерпаем запас енергия,
Кюри открила, че един грам радий, парченце по-малко от стотинка,
съдържа повече енергия от един тон въглища.
В началото на ХХ-ти век във Франция обществеността и булевардната преса
са очаровани от радия, макар че никой
нямал ни най-малка представа, какво всъщност е радиоактивността.
Всеки искал да го изпробва върху себе си, за да е пълноценен и здрав.
След откриването на радия му изнамерили всевъзможни и странни приложения.
Това са продукти за баня с радий, има и радиев одеколон,
Атомен парфюм и радиев крем за лице- за красива и здрава кожа.
Има дори бръснач от радий, не съм много сигурен,
как би трябвало да работи това.
Ах, добрите стари времена, когато невежите са били блажени...
Отделно от обществения интерес, за научното общество
радиоактивността била възможно най-интересното нещо.
Най-ярките умове на това време се впуснали в нейно изучаване
и цената на радия, нейния най-мощен източник,
скочила до хиляди паунда за унция.
Радиоактивността не разочаровала.
През 1919 г. тя разкрила своята главна същност,
което в крайна сметка довело до разбирането
на принципите на атомния свят.
Това откритие се заключавало във факта, че радиоактивността дала възможност
на човека да осъществи своя вековна мечта - да стане алхимик.
Алхимията, способността да се превръща неблагороден метал в злато,
стремежът към така наречения философски камък,
който притежава магическата способност да превръща едни вещества в други,
била мечтана фикс-идея в продължение на столетия.
Това напомня на чудните приказки за вълшебници и чародеи,
познати на читателите на Хари Потър.
Властта и благоденствието, които ще постигнат онзи,
който владее алхимията, съблазнявала много велики учени
и мислители като Исак Нютон, Робърт Бойл и Джон Лок.
Всички те се опитвали да превърнат един елемент в друг
и всички те се провалили.
Но през 1919 г. тайната на алхимията,
загадката на философския камък, най-после била разкрита,
не в кабинета на някой магьосник,
а във факултета по физика на университета Манчестър.
Първият в света истински алхимик бил Ърнест Ръдърфорд.
Говорещият високо и прямо новозеландец Ръдърфорд
заел водещо място в изследването на радиоактивността.
Той притежавал силна интуиция и безстрашие,
за да се изправи срещу общоприетото знание.
А алхимията изисквала от Ърнест Ръдърфорд
да следва интуицията си и да се гмурне дълбоко в неизвестното.
Неговото откритие било почти случайно.
То започнало с наблюдението на един от неговите студенти, който забелязал,
че когато радиоактивни елементи като радия
са в херметически контейнер с обикновен въздух,
по тайнствен начин започва да се появява неголямо количество водород.
Това било много странно.
Обикновеният въздух на практика не съдържа водород,
и в същото време при наличие на радиоактивност той изниква от нищото.
Това бил точно от онези проблеми, които Ръдърфорд -
в разцвета на силата си като експериментален физик - обичал.
И той се заел с него.
Първоначално изолирал всички различни газове,
съставящи въздуха, който дишаме:
азот, кислород, водна пара и въглероден диоксид
и изследвал, как всеки от тях се държи в присъствието на радиоактивност.
И тогава... Еврика!
Ръдърфорд открил, че в присъствието на мощно радиоактивно излъчване
газът азот, съставляващ около 80% от въздуха, който дишаме,
се превръща в две нови вещества - газовете кислород и водород.
Там и тогава Ръдърфорд превърнал един елемент в два други.
Той станал алхимик, а радият със своята силна радиоактивност,
бил философският камък.
Пресата приветствала Ръдърфорд като първия алхимик, но не това било важно.
Това, което алхимията му показала, било вътрешността не само на атома,
а и на странния обект в неговия център,
мъничкото пулсиращо сърце - ядрото.
За оцените това постижение ще ви припомня,
че Ръдърфорд и съвременниците му в Кеймбридж
имали само повърхностна представа за атома, но не знаели нищо за размера му.
А той е умопомрачително малък, една десетмилионна част от милиметъра.
Нека го кажа по друг начин. В една чаша вода има повече атоми,
отколкото чаши вода има във всички океани на света.
А Ръдърфорд вече знаел, че атомът има вътрешна структура,
че вътре в атома има субатомен свят.
Той обрисувал атома като миниатюрна слънчева система.
В центъра, 100 000 пъти по-малък от атома,
се намира обект, който Ръдърфорд нарекъл ядро.
Около него в орбита обикаляли електроните,
но какво, за Бога, представлявало ядрото?
Ръдърфорд бил убеден, че алхимията му показала отговора.
За да разберем, как разсъждавал Ръдърфорд, трябва да мислим като него.
Ръдърфорд имал забележителна интуиция,
съчетана с практически подход към науката.
И ненавиждал идеи, които се опирали на сложни математически изчисления.
Стигайки до атомното ядро, той потърсил най-простата теория, която да работи.
Такава се оказала тази, според която
ядрото се състои от малки твърди сфери, като билярдни топки.
С помощта на този невероятно прост модел
можел да се опишат всички елементи във вселената.
Можел да обясни и огромното разнообразие
на различни атоми от еднакви компоненти.
Ето как става това.
Водородът, най-простият елемент, има само една такава сфера.
Ръдърфорд я нарекъл "протон", от гръцката дума "първи, основен".
Всички останали елементи се получават с добавяне на още протони към ядрото.
Точно толкова е просто.
Затова хелият, който е втори подред по тежест,
се състои от два протона, а литият има три.
Въглеродът, елементът, който е в основата на всички форми на живот,
има шест протона.
Кислородът, който дишаме има осем,
а уранът - най-тежкият елемент с естествен произход,
има 92 протона.
Това била вдъхновяващата идея на Ръдърфорд.
Всеки елемент се определя от броя на протоните в неговото ядро.
Това е една удивително проста и елегантна идея,
която обяснява строежа на видимата част от вселената.
Но учените често откриват, че природата никога не е
толкова проста, колкото изглежда на пръв поглед.
И у Ръдърфорд възникнал голям проблем с протона.
Той бил открит от едно от протежетата на Ръдърфорд.
Франсис Астън притежавал интересен характер.
Като млад човек обичал пътуването сред природата, карането на ски, мото-спорта
и очевидно в 1909 г. се увлякъл по сърфинга в Уайкики на Хаваите.
Но скоро осъзнал, че работата във физическата лаборатория е по-интересна.
По това време в Кеймбридж той създал удивително оборудване, което се намира
в тези аскетична, неприветлива сграда - Кавендишката лаборатория.
Това е оригиналният спектрограф на Астън.
Това е забележително оборудване, защото с него за първи път
учените успели да претеглят отделните атоми.
Невероятно е, прилича на оръдие, но с много странна форма.
Главното, което ни трябва, е да имаме тук в стъклената тръба,
атоми, които да претеглим,
а в тази посока да пуснем електрически заредени атоми.
Тук има електрически пластини, които ще променят посоката
на движение на атомите.
Тъй като атомът има електрически заряд,
той ще се отклони в електрическото поле в това направление.
Това, което не виждаме тук,
са огромните магнитни люлки, които били разположени около този ръкав.
Магнитното поле ще отклони атомите, летящи в това направление.
В края на пътя има фотографска плака.
Не съм сигурен, може ли да се види това... не...
Но плаката се е намирала тук.
И атомите с еднаква маса образували една линия.
Така Астън успял да види отделни линии за атоми с различно тегло.
Било забележително, че веднага след Първата световна война
учените най-после успели да претеглят атомите.
И след като успели да претеглят точно теглото им,
те установили, че има фундаментален проблем
в модела на ядрото на Ръдърфорд.
Простата сметка нещо не излизала...
Всички известни атоми, освен водорода,
се оказали доста по-тежки от очакваното.
Например хелият, който е с два протона,
би трябвало е два пъти по-тежък от водорода.
Но в действителност е четири пъти по-тежък.
Ръдърфорд разбрал, че това означава само едно -
освен протона вътре в атомното ядро има още нещо. Но какво?
Решаването на този проблем отнело 12 години, докато бил намерен отговор.
Като ръководител на престижната Кавендишка лаборатория в Кеймбридж,
Ръдърфорд впрегнал всички свои ресурси за реализиране на проекта.
Той притискал и уговарял своите студенти и колеги
докато един от тях, северняк,
момче с обикновен произход на име Джеймс Чедуик,
открил в ядрената физика еквивалента на златото.
Чедуик построил това през 1932 г. и с помощта на тази малка екипировка
той открил липсващия елемент на атома.
За мен, като практикуващ ядрен физик, това е наистина удивително устройство.
Когато се сетя за огромните ускорители, които се изграждат днес,
за провеждане на експерименти за изучаване на атомното ядро,
това действително впечатлява със своята простота.
Той поставил източник на радиоактивност в края на тази тръба,
а после облъчвал неголяма цел тук в средата.
От целта тръгвали нови частици и излитали ето от тук.
Това напомня на стрелба от атомно оръдие с липсващите частици на Ръдърфорд.
Чедуик открил, че редом с протона има още един вид частици вътре в ядрото.
Те тежат почти колкото протона, но са доста по-неуловими.
Защото те не притежават електрически заряд.
Технически казано те са електрически неутрални,
затова и са наречени неутрони.
И веднага бил решен проблемът с масата на атомите.
Така хелият е четири пъти по-тежък от водорода,
защото освен своите два протона има и два неутрона.
А кислородът има осем неутрона заедно със своите осем протона,
което го прави 16 пъти по-тежък от водорода.
Ето така през 1932 г. атомното семейство станало в пълен състав.
Учените обявили, че всеки атом във вселената е изграден от три компонента:
електрони - миниатюрни частици в орбита около ядрото,
което на свой ред се състои от протони и неутрони.
Неутрон, неутрон...
На Коледата през 1932 г. физиците в друг велик център по атомна физика
института Нилс Бор в Копенхаген, отбелязали откриването на неутрона
и завършването на ядрената Троица, съчинявайки мюзикъл за него.
Този експеримент откри
за теорията липсващата част.
Винаги се е смятало за най-успешно
да вложите и разум, и сърце.
Успех в свръхтрудното дело.
Ние с радост ви приветстваме.
Нека страстта не ви обърне гръб.
О, Гретхен, съкровище мое.
Някои от най-великите физици взели участие в тази музикална постановка.
Тяхното вълнение се определяло най-вече от едно нещо.
Те знаели, че стоят на прага на един съвършено нов вид наука,
с коренно нови правила.
Тази наука, която днес наричаме ядрена физика.
Ето каква била първата задача на ядрената физика.
Въпреки че знаели, от какво се състоят миниатюрните ядра,
не можели да обяснят, кое е това, което ги задържа цели.
В действителност най-лошото било, че по законите на съществуващата физика,
всяко едно атомно ядро би трябвало моментално да се самоунищожи.
Вечният неутралитет ни обединява заедно.
Основният проблем бил, че протоните, ключовата съставка на атомното ядро,
имат еднакъв положителен заряд и това ги отблъсква един от друг.
Ето точно така. Вижте.
Както тези магнити, ако два протона се приближат един до друг,
би следвало да се разлетят.
Но странно, вътре в атомното ядро, те не постъпват така.
Десетки протони, обединени заедно един до друг.
Какво ги свързва?
Кое удържа протоните да не се разлетят?
Отговорът бил страхотна новина - това е една съвършено нова природна сила.
В продължение на векове хората се сблъскват само с две природни сили,
гравитацията, която ни притегля към Земята, и електромагнетизма.
А сега, скрито вътре в атомното ядро, имало нещо напълно ново,
казвало се силно ядрено взаимодействие.
Най-лесно е да го сравним с велкрото.
Ако навия велкро около тези магнити, те започват да се държат по-различно.
Първоначално те се отблъскват един друг както преди,
но ако ги доближа достатъчно, залепването ги задържа.
Ефектът действа на много близко разстояние, но е много, много силен.
И точно така става и с протоните.
Силното ядрено взаимодействие обяснява, какво задържа ядрото в едно цяло.
Силното ядрено взаимодействие е между протоните и неутроните.
Но това, което е наистина удивително, е неговата мощ.
Това без съмнение е най-мощната сила във вселената...
Трилион, трилион, трилион пъти по-силна от гравитацията.
Иначе казано, ако се намирах на земята не под действието на гравитацията,
а под силното ядрено взаимодействие,
бих тежал трилиони пъти повече от сега,
даже повече от цялата галактика.
Причината да не тежа толкова е в това, че силното ядрено взаимодействие
се усеща само на разстояние по-малко от трилионна част от милиметъра.
Изучавайки ядреното магнитно взаимодействие,
хората най-после започнали да получават частични данни за това,
което всъщност се случва вътре в атомното ядро.
Най-общо казано, цялото ядрено поведение е сведено до баланса
между силното ядрено взаимодействие, държащо заедно протона и неутрона,
и електрическия заряд, действащ върху протоните, карайки ги да се отблъскват.
Физиците разбрали, че в изобразяването на ядрото като бойно поле
на две различни природни сили,
е разбулването на една от най-древните тайни на всички времена.
Тя била в отговора на въпроса,
който човечеството си задава от незапомнени времена.
По какъв начин свети Слънцето?
Слънчевата светлина е източник на всички форми на живот на Земята.
Но от къде идва тя?
Всичко идва от силата вътре в атомите на водорода,
от които основно е изградено Слънцето.
Ето как става това.
Ядрото на един атом водород се състои само от един протон
и при постоянно високо налягане и висока температура
протонът може да се доближи до друг и... бум!
Силното ядрено взаимодействие ги улавя и ги задържа заедно.
Този процес, който в крайна сметка води до създаване на атом хелий,
е съпроводен с освобождаване на енергия във вид на светлина и топлина.
Това донякъде прилича на удар на чинели
и взривно освобождаване на звук.
Взривното преобразуване на водорода в хелий с отделяне на енергия
ние виждаме и усещаме като слънчева светлина.
Този процес на сливане на две ядра на водорода в едно
и освобождаване на енергия става известен като ядрен синтез.
Борбата между силното ядрено взаимодействие
и електромагнитните сили, които се стремят да доминират в ядрото,
означава много повече от слънчева сила.
Тя е в сърцевината на всичко.
Но в края на 30-те години на ХХ-ти век, преди човек да е разбрал това,
ядрената физика се оказва много по-близо до неговия дом,
По недвусмислен начин тя преначертала историята
на човечеството точно тук на Земята,
което довело до едни от най-мрачните времена.
И всичко това започнало с изучаването на скромния неутрон.
Веднага след откриването му неутронът застанал в центъра
на атомните изследвания във всички лаборатории в Европа.
И причината за възбудата била следната:
неутронът е "стелтът" в атомния свят, защото за разлика от другите частици,
които съставляват атома - протона и електрона,
неутронът, както се вижда и от името му, е електрически неутрален.
Поради това той може да долети незабелязан и неотклонен
до самия център на атома и да се сблъска с ядрото.
Физиците знаели, че тези сблъсъци ще са впечатляващи,
защото по атомните стандарти неутронът е тежък.
Затова, когато се блъсне в ядрото, то получава мощен удар.
Това малко напомня на сблъсък на Луната със Земята.
Физиците още през 1930 г. разбрали, че това открива
немислимо огромни възможности.
Такова стълкновение може да разбие ядрото и да създаде нови елементи.
Възможно е те - и това би бил Светият Граал -
дори да успеят да създадат нови радиоактивни елементи,
като радия на Мария Кюри - източник на неограничена енергия.
Физици от цяла Европа, работещи в тази нова област на науката,
доказали наличието на неутрони във всеки познат елемент.
В лабораторията на института Кайзер Вилхелм в Берлин
химик на име Ото Хан накрая обстрелял с неутрони
последния, най-тежкия елемент в периодичната таблица -
металът уран.
Това е част от оборудването, което той използвал в края на 30-те години.
И така, с какво е разполагал.
Източникът на неутрони е тук, заобиколен с парафин,
който да забавя неутроните и да увеличи вероятността
да стигнат ядрото на урана.
Това електронно оборудване било използвано за откриване на частици,
отлитащи от радиоактивни елементи.
Полученото от Ото Хан след реакцията, се подлагало на химичен анализ
за наличие на нови елементи.
Това, което получил, очаквал да е радият на Мария Кюри.
Но когато се опитал да го изолира, не го намерил изобщо,
Вместо това се оказало, че полученият елемент е барий,
който е значително по-лек от урана.
От къде се взел барият?
Това било загадка, която той не можел да обясни.
Въпреки всичко Хан щателно каталогизирал своите резултати.
Хан бил химик, а не физик, но въпреки това знаел, че по законите на науката
по никакъв начин не би трябвало да се получи барий в този експеримент.
Той е прекалено различен от урана.
Според Хан имало само един човек, който може да обясни, какво се случва.
Неговата отдавнашна сътрудничка, физичката Лизе Майтнер.
Тя била принудена да напусне нацистка Германия
преди няколко месеца заради еврейския си произход.
Затова Хан й изпратил своите спорни изводи.
В Швеция Лизе Майтнер и племенника й Ото Фриш,
който също бил ядрен физик, получили писмото от Хан.
На Коледата на 1938 г. те се отправили на разходка в гората,
където дълго и упорито обсъждали резултатите от експеримента на Хан.
Те стигнали до извода, че от ядрото на урана
не просто се откъсвало малко парченце.
Ядрото буквално се разцепвало на две равни половинки.
Майтнер и Фриш били напълно шокирани.
Мисълта, че уранът може в буквален смисъл да се разполови,
никога не била смятана за възможна,
но след експеримента на Хан се оказала единственото обяснение.
Точно тогава Майтнер и Фриш първи осъзнали
поразителните и ужасяващи следствия от това.
Огромното ядро на урана се разцепва на две,
защото силното ядрено взаимодействие
губи битката за удържане целостта на ядрото.
А електрическото отблъскване разпръсква частиците ядро
с освобождаване на количество енергия, невиждано досега.
Енергията, освободена от едно ядро уран е достатъчна да премести песъчинка.
Това е невероятно количество енергия,
защото една песъчинка съдържа трилиони и трилиони атоми.
Това е като да ритнеш топка към Луната
и с удара да я изведеш от орбитата й.
За мен, това събитие ознаменува раждането на атомния век.
Фриш и Майтнер открили ядреното делене.
Чрез ядрено делене за пръв път били изкуствено освободени
огромните сили вътре в ядрото.
Уранът дал на човечеството способ да използва огромната,
кипяща енергия на ядрото за свои собствени цели.
Времето на това откритие съвпада с началото на Втората световна война.
Съюзническите учените и Робърт Опенхаймер работели ден и нощ
за да изяснят, как ядреното делене може да бъде използвано
като оръжие за масово унищожение,
а окончателното проявление на тези изследвания е през 1945 г.
над Хирошима и Нагасаки.
Атомната бомба променила всичко.
Вълнението на довоенните научни изследвания,
дните, когато физиците възпявали в песни своите открития, отминали.
Робърт Опенхаймер описал мрачните настроения със следните думи:
"Физиците познаха греха и това е познанието, от което не могат да се лишат."
Ужасната ирония на атомната бомба е в това, че заради "греха" на учените,
заради невъзможността да изгубят стремежа към знания,
се появило и нещо от голямо значение.
Нещо, което в крайна сметка ще разкрие подробностите
за всички 14 милиарда години от съществуването на вселената.
Войната довела до заделянето на два милиарда долара за ядрени изследвания.
Хората вече познавали удивителната сила на атома и неговото ядро.
Учените направили подробни измервания
на стабилността и нестабилността на различните атомни ядра.
Тази стабилност е пряко следствие на битката
между силното ядрено взаимодействие
и електромагнитните сили, които го разкъсват на части.
В някои атоми балансът е наклонен към силното ядрено взаимодействие,
което ги прави много стабилни.
Но ако електромагнитните сили имат превъзходство,
те са нестабилни.
В края на 40-те години учените започнали да изследват последиците
от изменение на ядрената стабилност на различните атомите.
Те забелязали много странен факт в стабилността на един конкретен атом.
Сред всички 92 различни елемента, сред всички 92 вида атоми,
които изграждат вселената около нас,
газовете като водород и кислород, твърдите вещества - въглерод, силиций,
металите - злато, сребро... има един много специален:
желязото.
Кое е това, което прави желязото толкова особено?
Това произтича от уникалната структура на неговото ядро.
26 протона редом с неутрони, обединени по начин,
който прави желязото невероятно стабилно.
По някаква причина природата е установила това като числото,
което позволява силното ядрено взаимодействие
и електромагнитните сили идеално да се уравновесят.
То прави желязото най-стабилния елемент в цялата вселена.
Вече можем да разберем, защо става сливането.
Леките атоми се обединяват до подобие на атома на желязото.
Делението се явява обратния процес.
Атомите, по-тежки от желязото, могат да се делят до по-леки,
желязоподобни части.
Всички елементи се стремят към стабилността на желязото.
И този факт стои в основата на цялата история на космоса.
Най-лесно е да си представим относителната стабилност
на атома посредством графики.
Ето какво ни показват те.
Много леките елементи - водород и хелий, не са много стабилни,
тъй като искат и са в състояние да бъдат нещо друго,
нещо много по-стабилно.
Освен това тежките елементи, като уран и полоний,
са фактически нестабилни. На практика те са толкова нестабилни,
че се разпадат по естествен начин чрез радиоактивност.
И ето, в средата се появяват най-стабилните атоми,
никел, кобалт и желязо.
До тук добре.
Но ето кое е удивително.
тази графика, показваща ядрената стабилност,
се оказва свръхестествено аналогична с друга графика,
за която никой не е подозирал, че ще съвпадне.
Това е така, защото данните за другата графика са дошли не от малкото ядро,
а от друга област, толкова различна, колкото можете да си представите -
от обширните космически простори.
Тази втора графика е от астрономите,
които изучават ярката светлина на звездите.
Тя показва разпространението
на различните видове атоми във вселената.
За момента най-разпространеният атом е този на водорода,
следван плътно от хелия.
Но няма друго за отбелязване.
Вижте тук, това е факт с космическо значение.
Две графики - на стабилността и на разпространението.
Появява се странен, но много забележителен пик
на абсолютно едно и също място.
Първите учени, които забелязали това, били поразени.
Една графика от миниатюрното ядро, а друга - от обширното пространство,
показват този същия вълшебен атом.
Атомът, който се явява ключ към разкриването на тайните на вселената.
Желязото - атомът, който се явява ключов за разбиране на атомното ядро,
освен това се оказал един от най-разпространените във вселената.
Поразително, свойствата на неговото ядро
изглежда влияят съществено върху разпространението му.
И това важи не само за желязото.
Радият, който е много нестабилен, е и много рядко срещан.
Алуминият, който е относително стабилен, е и доста разпространен.
Това е модел, който се проявява през таблицата на елементите.
Автографите на техните ядра са поставени в небето над нас...
...и разшифроването на смисъла в тази връзка се нуждаело от велики умове.
Първи сред тях бил бунтарят и дисидент Фред Хойл.
Той обичал разходките по горите и долините на родния му Йоркшир.
Хойл винаги казвал това, което мисли, въпреки че това му носело конфликти.
Той станал нещо като научен аутсайдер.
Повече от който и да е друг учен той изследвал странното съвпадение
между науката за атома и науката за космоса.
Хойл разбрал, че това, което графиките сочат,
е фактът, че в основата си същността на Вселената е непрекъснато да се променя.
Всичко във вселената се намира в процес на постоянно изменение.
Атомите се стремят да получат или изгубят протони
в опит да станат по-стабилни.
Това, което направили Хойл и колегите му, било да се запитат,
по какъв начин и къде в космоса
става атомната трансформация, цялата тази алхимия.
Хойл знаел, че в звездите като нашето Слънце
водородът се превръща в хелий чрез процес, наречен ядрен синтез.
Но възможно ли е ядреният синтез да е начинът за създаване
на всички други атоми във вселената?
Великото откритие на Фред Хойл било в това, ясно да разбере,
как тежките елементи се създават по пътя на ядрения синтез.
Хойл изходил от това, че този процес може да се случи само
при екстремно високи налягания и температури милиони градуса по Целзий.
В нашата вселена има само едно място, където съществуват такива условия...
В звездите.
Проблемът на Фред Хойл бил в подробностите.
Да се обясни, как процесът на сливане,
може да създаде атоми, по-тежки от хелия, било доста сложно.
На Хойл се налагало да обясни, именно как в бушуващата жар вътре в звездите,
леките атоми могат да се слеят в по-тежки.
През 40-те Хойл изходил от това, че нашето Слънце е достатъчно жарко
за сливане на атоми кислород, въглерод и азот,
но как е при по-тежките атоми като мед, цинк или желязо?
Изчисленията му показали, че те могат да бъдат получени вътре в звездите.
Но звездите трябва да са много по-горещи от нашето Слънце
и той знаел къде точно да ги открие.
Това били червени гиганти- огромни, раздути звезди,
наближаващи края на живота си.
Астрономите открили, че има стотици милиони от тези колоси във вселената.
Фред Хойл заключил, че те са достатъчно горещи,
за да създадат тежки атоми,
но пак си оставал един проблем.
Дори мощните червени гиганти не били достатъчно горещи,
за да създадат много тежки елементи, като атомите на златото и урана.
Създаването на елементи по-тежки от атомите на желязото означава,
че принудени да се съединят, те стават все по-нестабилни.
Това би се нуждало от немислими температури и налягания.
Неговата единствена надежда била, там, в обширното пространство
да намери нещо толкова голямо и горещо, в сравнение с което
нашето Слънце изглежда като свещичка за рожден ден.
И към края на Втората световна война,
по време на изследователско пътуване в Южна Калифорния, Фред Хойл го открил.
Това е 100-инчовият телескоп на обсерваторията
в планината Уилсън край Лос Анжелес.
Когато бил построен през 1917 г., той без съмнение бил най-големият в света.
Идвайки тук, Хойл се срещнал с видния астроном Валтер Бааде,
който му разказал за свръхновите.
Това е процес, когато масивна звезда експлодира с невероятна сила,
и озарен от вдъхновяващо прозрение,
Хойл разбрал, че това най-после са екстремалните условия,
нужни за възникване на всички тежки елементи.
Това, което имал предвид Бааде, бил взрив с космически мащаб.
Когато големите звезди останат без водород,
защото е преминал в хелий, те умират.
Свиват се под тежестта на собствената си гравитация,
а после избухват.
В миг на просветление, Хойл и колегата му Уилям Фаулър осъзнали,
че свръхновите може би са най-горещите места във вселената.
Достатъчно горещи, за да слеят дори най-тежките атоми.
Хойл и Фаулър открили пещта, в която било сътворено всичко.
Откритието, как атомите са получени в звездите,
несъмнено е едно от най-великите достижения на човечеството,
с изключение на един очебиен проблем,
който Хойл така и не успял да обясни.
Със звездния ядрен синтез може да се обясни,
как са възникнали всички елементи във вселената... освен два от тях,
два много важни.
Двата най-прости елемента - водород и хелий.
През 40-те години с помощта на по-прецизно оборудване,
учените открили, че около една четвърт от Слънцето всъщност е хелий,
което се оказало значително повече от предполагаемото.
Те разбрали, че наличието на такова количество хелий означава,
че Слънцето трябва да гори с температура милиарди градуси.
А всъщност Слънцето е само 15 милиона градуса.
Слънцето просто не е достатъчно горещо, за да произведе всичкия този хелий.
В действителност се получава, че кубически метър Слънце
генерира по-малко топлина отколкото един човек.
Така че аз произвеждам повече топлина,
отколкото парче Слънце със същия размер.
Това означава, че Слънцето просто не е достатъчно горещо,
за да произведе всичкия хелий, който се съдържа в него.
А ако всичкият хелий не се е образувал в Слънцето, то от къде се е взел?
И още по-важно значение имал друг въпрос на Хойл.
Ако всички атоми във вселената водят начало от водорода,
как и от къде се е появил той самият?
Всичките тези водород и хелий се нуждаели от допълнително обяснение.
Този проблем катализирал
едно от най-ужасните сражения в следвоенната наука.
Защото в крайна сметка се превърнал
в един много по-важен въпрос, всъщност Големият Въпрос.
Дали вселената е възникнала в един миг или винаги си е била тук?
Почти всички следвоенни физици били въвлечени в този спор,
а двама се оказали в центъра му.
Единият бил Фред Хойл, а другият - ексцентричният украинец Джордж Гамов.
Висок почти два метра, веселяк и бежанец от сталинска Русия.
Един от физиците казал за Гамов: "Даже когато не е прав е интересен".
Двамата мъже заложили своята кариера в тази битка на битките във физиката.
Всичко започнало съвсем невинно.
Гамов бил назначен като професор в университета Джордж Вашингтон.
Той решил, че си струва да се изучи загадката на водорода и хелия.
Това бил кабинетът на Гамов в университета Вашингтон.
Доста е неугледен.
Точно тук Гамов работил над проблема, защо хелият в Слънцето е много повече,
отколкото може да се обясни чрез синтез на водород.
Гамов достигнал до безумната идея, че вероятно по-голяма част от хелия
е съществувала още преди формирането на Слънцето.
В този момент идеята става спорна и ни навежда към реда на сътворението.
Гамов заявява, че хелият е съществувал във вселената
преди формирането на звездите.
Той трябва да е възникнал на друго място, способно да произведе хелий.
Гамов знаел, че там, където протича този процес,
трябва да е чудовищно горещо, милиарди градуси по Целзий,
милиони пъти по-горещо от Слънцето.
При такава температура материята, както е известно, е разбита на части.
Ядрата на водорода се движат хаотично и постоянно се сблъскват,
изпращайки хелия на удивително пътуване.
Но кое е това космическо събитие,
способно да достигне тази неописуемо ужасна температура?
За да обясни това, той използвал рискованата, нова за времето си теория,
според която вселената е възникнала
вследствие на една катаклизмена експлозия преди милиарди години,
теория, която днес ние наричаме Големия взрив.
От десетилетия астрономите знаели, че галактиките се разбягват
една от друга с огромна скорост.
Вселената се разширява.
Това означава, че в миналото вселената трябва да е била доста по-малка.
А много, много отдавна цялата вселена
трябва да е била миниатюрна, почти безкрайно малка точица.
И последица на това се явява един миг на сътворение,
в който всичко съществуващо, дори времето и пространството,
се появява на бял свят.
През 1945 г. повечето учени не се чувствали комфортно с тази идея.
Но не и Гамов.
Той прозрял, че тя може да обясни
тайната на формирането на хелия в слънцето и звездите.
Гамов открил, че ако целият космос е свит
до незначителна точка, ще бъде извънредно горещо.
В първите няколко мига след възникването на вселената
ще бъде достатъчно горещо за съединяване на ядра водород
и създаване на всичкия хелий, намиращ се в излишък в Слънцето и звездите.
След тези няколко минути вселената вече ще се разшири и ще се охлади,
но точно тези няколко минути му стигали на Гамов.
За това време били създадени всичкия водород и почти всичкия хелий.
Това са около 98% от всички атоми в днешната вселена
или по думите на Гамов, нашата Вселена била приготвена за по-малко време,
отколкото е нужно да се сготви патица с печени картофи.
Утвърждавайки дълбоко противоречивата идея,
че Големият взрив е създал по-голямата част
от водорода и хелия във вселената,
Гамов предизвикал голям шум около идеята за сътворението.
Фред Хойл скоро става основен критик на Гамов.
Фред Хойл ненавиждал идеята за Големия взрив
с всяка фибра на тялото си.
Като убеден атеист той отхвърлял теорията
тъй като мигновено сътворение му напомняло за божествен творец.
В отговор Гамов твърдял, че без Големия взрив
Хойл не може да обясни толкова много водород и хелий във вселената.
И двамата имали свои поддръжници и спорът межди враждуващите лагери
станал твърде остър и личен.
Хол бил смятан от поддръжниците на Големия взрив
за старомоден, свадлив стар британец.
Гамов бил заклеймен от привържениците на Хойл като стриктен креационист.
Споровете бушували на научните конференции и в популярната преса.
Вътрешно всяка страна знаела, че доводите й са неубедителни
и й липсва неопровержимо доказателство, което окончателно да постави точката.
Изглеждало, че на този конфликт му е съдено да остане нерешен.
И точно тогава южно от Ню Йорк, в беден квартал на Ню Джърси,
скромно оборудване щяло да направи едно от най-важните открития
и да реши спора веднъж завинаги.
Тази гигантска, за съжаление ръждясваща машина,
е рупорната антена на лабораторията "Белл" в Ню Джърси.
Всъщност това е радиотелескоп.
Но в същото време не прилича на традиционна сателитна чиния.
Тези огромни фуниевидни антени могат да се въртят в кръг,
за да оглеждат небето и улавят радиосигнали от космоса.
Напомня на гигантски слухов апарат,
но може извънредно точно да улавя слаби сигнали.
Построена е за провеждане на изследвания в спътниковите връзки,
но вместо това е използвана в средата на 60-те,
за да се направи едно от най-важните открития в историята на науката.
На двама учени, Арно Пензиас и Роберт Уилсън,
лабораторията "Белл" предоставила тази антена в 1963 г.
с цел провеждане на изследвания
на светещия ореол от водород около Млечния път.
Преди началото на експеримента Пензиас и Уилсън трябвало да се убедят,
че са премахнали всички фонови шумове, приемани от антената.
Това е нещо като онзи съскащ звук между две радиостанции.
По-голяма част от годината прекарали в тест на оборудването и електрониката.
Дори пропълзели на колене вътре в антената,
за да почистят това, което нарекли бял диелектричен материал,
който се състоял предимно от изпражнения на гълъби.
Но дори след това оставал слаб шум, от който не могли да се отърват.
И той идвал от посоката, в която била насочена антената.
Имало само едно разумно обяснение.
Шумът е звукът на радиацията,
заревото на Големия взрив на Гамов.
Това било окончателното доказателство, че Гамов е бил прав.
Големият взрив трябва да се е случил.
Скоро след възникването на вселената,
около 300 000 години след Големия взрив,
тя се разширила и охладила достатъчно,
за да се появят атомите на най-леките елементи,
карайки цялата вселена да се озари от светлина.
Джордж Гамов предсказал, че този отблясък на сътворението
днес ще се открива като слабо микровълново излъчване.
Можете да го чуете като слабо свистене,
когато сменяте каналите на телевизора и радиото.
Откриването на космическото фоново лъчение от Пензиас и Уилсън показва,
че теорията за Големия взрив на Гамов е вярна.
Той е бил прав за начина, по който са възникнали
водородът и хелият в ранната вселена.
И така това, заедно с теорията на Хойл и Фаулър
за възникването на тежките елементи вътре в звездите,
ни оформило пълната картина.
Най-накрая разбрахме, как са били създадени всички атоми във вселената.
За по-малко от сто години науката извършила чудо.
Тя действително обяснила, от къде сме дошли,
и успяла да опише цялата 14-милиарда годишна история на космоса.
В началото бил Големият взрив...
...взрив с невъобразима сила.
В следващите 10 минути на изгаряща горещина
възникнали ядрата само на два от елементите - водород и хелий.
В течение на следващите 300 000 години вселената се разширявала.
И в този момент започва нов космически епизод.
Атомите се отделят един от друг и правейки това, отделят светлина.
Остатъци от тази светлина уловили Пензиас и Уилсън с антената.
Минали милиони години докато масивните облаци водород
се обединят в първите звезди.
Последвал термоядрен синтез, в резултат на който
се получила звездната светлина
и накрая възникнали всички останали видове атоми,
които днес съществуват във вселената.
Нашата Земя и всички ние, включително нашите тела,
са изковани преди много години в пещта на космоса.
Например, моето тяло е почти три четвърти вода,
която, както знаем, се състои от атоми на кислорода и водорода.
Сега разбираме, че водородът се е формирал преди 14 милиарда години,
непосредствено след Големия взрив.
На кислорода се е наложило да почака,
докато бъде получен вътре в звездите, такива като нашето Слънце.
Същото може да кажем и за друг важен елемент в моето тяло - въглерода.
Елемент, който е в основата на всички форми на живот на Земята.
Но моето тяло съдържа и други елементи в малки количества, като желязото.
Този елемент е бил сформиран по време на изгарянето
на гигантски звезди по пътя към края на живота им.
Присъстват и микроелементи, като цинкът.
В моето тяло има само два грама цинк, но този елемент
е бил създаден в резултат от взрива на гигантска свръхнова звезда,
внушителен взрив с космическа сила,
в процеса на което леките атоми са се съединили в по-тежки елементи.
Същото е вярно за всички срещани в природата елементи.
Всички те са приготвени в космическия котел.
Романтично може да кажем, че всички ние сме направени от звезден прах.
Но истина и също това, че всички ние сме просто ядрен отпадък.
Превод: Eternities www.kolibka.com