Возникновение химических элементов по стандартной модели

Таблица 1*. Первичный нуклеосинтез

Возраст Вселенной	Температура, К	Состояние и состав вещества
10^-2 с	10^11	n, p, е-, e+, n, n^– в тепловом равновесии; n и p в одинаковом количестве
10^-1 с	3*10^10	Те же частицы, что и выше, но отношение числа нейтронов к числу протонов n: p = 3: 5
1 с	10^10	n, n^– отделяется от остальных частиц; е-, е+ начинают аннигилировать; n: p = 1: 3
13,8 с	3*10^9	Начинается образование D и ^4Не; исчезают е-, е+; есть также свободные n и p
35 мин	3*10^8	Фиксируется количество D и ^4Не по отношению к числу протонов и электронов;^4Не / Н ~ 22-28% (по массе)
7*10^5 лет	3*10^3	Образуются устойчивые нейтральные атомы. Теперь Вселенная прозрачна для излучения. Вещество начинает доминировать над излучением

Обозначения: n - нейтрон, p - протон, е^- - электрон, е⁺ - позитрон, n - нейтрино, n^– - антинейтрино, D - дейтерий, Н - водород, Не - гелий.

* Ю.Э.ПЕНИОНЖКЕВИЧ, Ядерная астрофизика, СОЖ, 1998, N ^o 10, с. 68–76.

Температура 3*10⁹ ¸ 3*10⁸ К, время - до 35 минут с момента Большого Взрыва, первичный синтез гелия:

n + p ® D + g

D + n ® ³H + g

D + p ® ³Hе + g

D + D ® ³H + p,

D + D ® ³Hе + n

³H + p ® ⁴Не + g

³Hе + n ® ⁴Hе + g

В итоге получается ⁴Не / (Н + ⁴Не) ~ 22-28% (по массе)

В звездах при температуре ниже 2*10⁷ К, протон-протонный цикл синтеза гелия:

p + p ® D + e⁺ + n

D + p ® ³He + g

³He + ³He ® ⁴He + 2 p

³He + ⁴He ® ⁷Be + g

⁷Be + e^– ® ⁷Li + n

⁷Li + p ® 2 ⁴He

суммарный процесс 4 ¹H ® ⁴He + 26,7 МэВ

(1 эВ = 96,48 кДж/моль; 1 МэВ = 96480000 кДж/моль)

Каталитический CNO-цикл синтеза гелия:

¹²C + p ® ¹³N + g

¹³N ® ¹³C + e⁺ + n

¹³C + p ® ¹⁴N + g

¹⁴N + p ® ¹⁵O + g

¹⁵O ® ¹⁵N + e⁺ + n

¹⁵N + p ® ¹²C + ⁴He

При температуре выше 10⁸ К «горение» гелия (¹²C* - возбужденное ядро углерода):

3 ⁴He ® ¹²C* + 7,274 МэВ

энергия ¹²C*: 7,654 МэВ

⁴He + ⁴He ® ⁸Be*

⁸Be* + ⁴He ® ¹²C*

¹²C + ⁴He ® ¹⁶O + g

При температуре выше 5*10⁸ К «горение» углерода, кислорода, неона и кремния:

¹²C + ¹²C ® ²⁰Ne + ⁴He + 4,62 МэВ

¹²C + ¹²C ® ²³Na + p + 2,24 МэВ

¹²C + ¹²C ® ²⁴Mg + g - 2,60 МэВ

¹⁶O + ¹⁶O ® ²⁸Si + ⁴He + 9,59 МэВ

¹⁶O + ¹⁶O ® ³¹P + p + 7,68 МэВ

¹⁶O + ¹⁶O ® ³¹Si + n + 1,45 МэВ

¹⁶O + ¹⁶O ® ³⁰Si + 2 p + 0,39 МэВ

¹⁶O + ¹⁶O ® ²⁴Mg + 2 ⁴He - 0,39 МэВ

¹⁶O + ¹⁶O ® ²⁷Al + ⁴He + p – 1,99 МэВ

Горение неона характеризуется короткой стадией и заключается в фотодиссоциации ²⁰Ne под действием высокоэнергетических g -квантов с отрывом a -частицы. Освободившиеся a -частицы взаимодействуют с неоном и другими ядрами до тех пор, пока не исчерпается запас неона.

²⁸Si + ⁴He ® ³²S + g

³²S + ⁴He ® ³⁶Ar + g

Нерешенные проблемы:

1) Каково массовое отношение углерода к кислороду после гелиевой вспышки (это отношение чрезвычайно важно для дальнейшей эволюции массивных звезд)?

2) Где именно протекает r -процесс (от англ. rapid – быстро) быстрого захвата нейтронов?

3) Какие нуклиды, обязанные протонным процессам, рождаются в различных эпизодах нуклеосинтеза?

4) Каков относительный вклад сверхновых с коллапсирующим ядром, с одной стороны, и порожденных CO-взрывом, с другой, в образование железа и прочих тяжелых элементов?

(энциклопедия Кругосвет http://www.krugosvet.ru/articles/20/1002099/1002099a1.htm)

Основные парадоксы существования планеты Земля

До сих пор не существует научной теории, объясняющей, откуда в земной коре появился именно этот набор химических элементов. Наука не может объяснить причины возникновения именно такого материального мира, который нас окружает. Вот некоторые примеры пределов научного знания о происхождении вещества:

1. Из-за ничтожной разницы в массах протона (1,00797 а.е.м.) и нейтрона (1,00867 а.е.м.) протон (ядро атома водорода) оказался стабильной частицей, а нейтрон – неустойчивой (вне атомного ядра) с периодом полураспада 11,7 мин (702 секунды) [[21]]. Нейтрон распадается на протон p⁺, электрон e^- и антинейтрино n:

n^o = p⁺ + e^- + n

При самом незначительном уменьшении разницы масс протона и нейтрона протон стал бы нестабильным и вся картина мира изменилась бы. Не имеет научного объяснения и различие масс протона и электрона в 1870 раз [[22]].

2. Согласно теории "Большого взрыва", на стадии первичного ядерного синтеза процесс остановился на ядрах гелия. Вероятный состав ранней Вселенной: 22-28% гелия, остальное – водород (барионная материя). При этом барионная материя давала ничтожную часть массы, в основном обеспеченной фотонами (69%) и нейтрино (31%) [[23]]. Дальнейший нуклеосинтез был невозможен – избыточная энергия образующихся ядер вызывала их распад. Например, возбужденное ядро бериллия-8, которое образуется при реакции:

⁴He + ⁴He ® ⁸Be*, способно жить в среднем только 10^-17 с.

Этим объясняется так называемая "щель масс" – отсутствие ядер с массами 5 и 8, и малое относительное содержание в земной коре лития-7, бериллия-9, бора-11, которые образовались позже как осколки синтеза тяжелых элементов. Содержание в коре бериллия (2,6*10^-4 г на тонну) примерно равно содержанию урана (2,4*10^-4 г на тонну) [[24]].

Ситуацию "спас" углерод-12. У него оказалось возможным существование возбужденного состояния ядра с энергией 7,654 МэВ, на 0,38 МэВ больше суммарной энергии, выделяющейся при объединении трех альфа-частиц. Возможной реакцией образования углерода-12 было бы слияние трех ядер гелия-4 (a-частицы) в возбужденный углерод-12:

⁴He + ⁴He + ⁴He ® 12C*

Это, однако, очень маловероятная реакция, так как в ней одновременно принимают участие три ядра. Затем были предложены другие процессы. Например, за короткое время жизни возбужденного ядра бериллия-8 вполне возможно его соударение (всего за 10^-21 с) с еще одной a-частицей:

⁸Be* + ⁴He ® ¹²C*

Чтобы возбужденное ядро углерода-12 не распалось, у него должен существовать “разрешенный” резонансный энергетический уровень, соответствующий сумме энергий всех реагирующих частиц (слева). Этот необходимый для построения нашей материальной Вселенной уровень оказался реально существующим. В результате во вторичном нуклеосинтезе (во вновь образовавшихся звездах) стал возможен синтез углерода (при 100 млн C^о) и более тяжелых элементов. Такую возможность предсказал теоретически английский астрофизик Ф.Хойл, а доказал экспериментально У.Фаулер (Нобелевская премия 1983 г.). Хойл был под большим впечатлением от своего предсказания и позднее признавался [[25]]: “Ничто не поколебало мой атеизм сильнее, чем это открытие”.

Однако в звездах возможен равновесный синтез только элементов до железа включительно (при 4 млрд.С^о), так как более тяжелые для образования ядер уже требуют затрат энергии [[26]].

3. Тяжелые и особенно радиоактивные элементы (уран) могли получиться только в результате быстрого нейтронного захвата в сверхмощных потоках нейтронов, возможных при взрывах сверхновых звезд [[27]]. Возможность вклада взрывов сверхновых в нуклеосинтез подтверждена обнаружением метеоритов с необычным изотопным составом элементов. Изотопные аномалии состава некоторых метеоритов позволили астрофизикам утверждать, что Солнечная система начала формироваться вскоре после близкого взрыва сверхновой [[28]].

До сих пор не существует теории, удовлетворительно объясняющей, почему в Солнечной системе одновременно есть планеты типа Юпитера, состоящие из легких элементов, и Земля, содержащая достаточно много элементов с атомными массами более 60.

Анализ современной космологии приводит к мысли о слишком уж большом количестве "счастливых случайностей", позволивших возникнуть нашей планете и человеку на ней. Вместо объяснения ученые предложили "антропный принцип" (от греч. anthropos – человек). Он известен в двух формулировках. Согласно "слабому" антропному принципу, существует бесконечное число не связанных вселенных с бесконечным разнообразием физических констант. Среди них случайно возникла наша Вселенная, в которой соотношение фундаментальных параметров позволило появиться жизни и разуму, т.е. "наблюдателю". Немецкий физик Петер Хегеле пишет [[29]]:

“Слабый антропный принцип (в англоязычной литературе WAP) напоминает о том, что при разработке теорий следует изначально учитывать наблюдателя. Каждая космогоническая теория должна быть совместима с наличием наблюдателя. По крайней мере со времени создания квантовой теории ученым стало понятно, что явления должны рассматриваться с учетом влияния на них наблюдателя (процесс измерения). Применительно к космическим теориям это означает, что не следует создавать теорий, вообще не допускающих существования наблюдателя. WAP играет, таким образом, роль „фильтра" для возможных теорий.

Решающее открытие состоит в том, что согласно сегодняшним представлениям о развитии нашего Космоса этот фильтр почти ничего не пропускает! Если рассмотреть совокупность мыслимых космосов, характеризующихся различными законами природы, различными константами и разнообразными граничными и начальными условиями, то часть из них, в которых могла возникнуть жизнь на основе углерода, будет исчезающе мала. Примеры тонких согласованностей показывают, в каких узких границах значений констант вообще возможна жизнь....

Если для возникновения жизни были необходимы столь точные согласованности, может быть, жизнь не является все-таки малозначащим продуктом случая, а преднамеренна, запланированна? Может быть, в наблюдаемом развитии спрятаны “дизайн”, продуманный план и продуманные намерения? Или дизайнер?”

"Сильный" антропный принцип утверждает, что наша Вселенная должна быть именно такой, чтобы в ней на некоторой стадии эволюции возник человек ("наблюдатель") [[30]]. При этом не обсуждается, кому и почему "должна" наша Вселенная.

Наблюдаемые тонкие согласованности физических констант нашей Вселенной принято объяснять в рамках по крайней мере четырех подходов:

1. Взаимосвязь между тонкими согласованностями и возникновением жизни категорически отрицается.

2. Тонкая согласованность – в противоположность вышеизложенным аргументам – рассматривается как с необходимостью случившийся факт, не требующий дальнейших объяснений.

3. Тонкие согласованности – это лишь свидетельство еще неоткрытых закономерностей и взаимосвязей.

4. Тонкие согласованности рассматриваются как случайное совпадение и, следовательно, не требуют дальнейшего объяснения.

Некоторые толкуют тонкие согласованности агностически: более глубокое обоснование отсутствует, а может быть, оно и вообще не существует. Случайное не подчиняется никаким осмысленным взаимосвязям. Следует ли с этим примириться? Достаточно ли действительно „случая и необходимости" для объяснения мира?

Возможно также простое теистическое толкование: гениальный дизайнер, Бог-творец, построил нашу Вселенную по своим планам таким образом, что в ней могла возникнуть и сохраниться жизнь. Законы природы и константы имеют своей целью создание условий, необходимых для жизни. Получается, что современные естественные науки подтверждают Ветхий Завет:

“Ибо так говорит Господь, сотворивший небеса, Он – Бог, образовавший землю и создавший ее; Он утвердил ее; не напрасно сотворил ее: Он образовал ее для жительства; Я – Господь, и нет иного” (Исайя 45, 18)

Дата добавления: 2014-12-16