Большая история
Шрифт:
По Вселенной, как горячие изюминки в холодном пудинге, рассыпаны отдельные звезды, тоже хорошо структурированные и обладающие новыми свойствами. У каждой из них есть горячее ядро, в котором протоны соединяются и генерируют энергию, противодействующую гравитации. Внешние слои выше ядра давят вниз и подают в него протонное топливо. Жизнь звезды развивается в первую очередь в зависимости от ее массы при рождении – от того, сколько вещества в ней было изначально. В массивных звездах гравитационное давление оказывается сильнее, поэтому они значительно горячее звезд с массой поменьше. Из-за этого они быстро сжигают свое топливо и гаснут всего через несколько миллионов лет. Звезды меньшей массы горят медленнее, многие маленькие звезды будут гореть значительно дольше, чем существует Вселенная на данный момент.
В этой более разнородной Вселенной были
Гравитация стала соединять протоны, преодолевая барьер их положительных зарядов, и тем самым дала толчок к образованию звезд из материи. Эту модель мы будем наблюдать снова и снова. Похожим образом вы прибегаете к помощи чашки кофе, чтобы проснуться. Химики называют такую первую дозу энергии энергией активации. Это та самая горящая спичка, с которой начинается пожар. Энергия определенного типа что-то изменяет, и в результате освобождаются другие потоки свободной энергии, значительно превосходящие энергию активации. В истории образования звезд гравитация дала энергию активации для реакции ядерного синтеза, появления звезд и всего, что последовало за этим.
Но есть один вопрос. А как же второй закон термодинамики? Энтропия ненавидит структуру, так почему же она позволяет появляться более сложным вещам?
Если внимательно присмотреться к потокам энергии, вы увидите, что сложные структуры, например звезды, дорого платят за свое устройство. Посмотрите на огромную энергию ядерного синтеза. В первую очередь она поддерживает жизнь звезды, не давая ей коллапсировать. Это выглядит так, как будто звезда уплачивает энтропии пошлину, своеобразный налог на сложность. Перестав генерировать энергию, она схлопнется. Идеей налога на сложность можно объяснить важную вещь, которую заметил астрофизик Эрик Чейсон, – грубо говоря, для более сложных явлений нужны более плотные потоки энергии, больше энергии на грамм в секунду. Например, согласно его оценкам, через современное человеческое общество проходит поток энергии примерно в миллион раз более плотный, чем через Солнце, а плотность потока, который идет через б'oльшую часть живых организмов, находится где-то между этими двумя крайними значениями. Кажется, если объект пытается быть сложнее, энтропия требует от него больше энергии; более сложным сущностям приходится находить и осваивать более крупные и сложные потоки свободной энергии. Неудивительно, что создать и сохранить более сложную вещь труднее и что обычно такие вещи распадаются быстрее простых. Эта идея красной нитью проходит через современную историю происхождения мира и позволяет многое сказать о современных человеческих обществах [35] .
35
См.: Eric Chaisson. Cosmic Evolution; Fred Spier. Big His-tory.
Энтропии эта сделка очень по душе, потому что энергия, которая поддерживает жизнь звезды, как энергия водопада, будучи выпущенной в пространство, в конце концов затухает. Так что, становясь сложнее, звезда одновременно помогает энтропии превращать свободную энергию в тепловую. Мы все время будем наблюдать это в современной истории происхождения мира. Рост сложности – это не победа над энтропией. Как ни парадоксально, потоки энергии, которые поддерживают существование сложных вещей (в том числе наше с вами), помогают энтропии делать ее темное дело и понемногу разлагать все формы порядка и структуры.
Третий порог. Новые элементы и рост химической сложности
Через миллиард лет после Большого взрыва Вселенная уже вела себя интересным образом, как маленький ребенок. Но с химической точки зрения она была очень скучной. В ней не было ничего, кроме водорода и гелия. Третий порог усложнения породил новые формы вещества – все остальные элементы периодической
Водород и гелий образовались первыми, потому что они самые простые. В ядре водорода один протон, и мы говорим, что его атомное число равно 1. Ядро гелия содержит два протона, его атомное число равно 2. Когда примерно через 380 000 лет после Большого взрыва возникло реликтовое излучение, добавилось немного лития (атомное число 3) и бериллия (атомное число 4). Вот и все. Других элементов при Большом взрыве не возникло.
Условия Златовласки для образования других элементов с более крупными ядрами были простыми: много протонов и очень высокие температуры, такие, которые наблюдались лишь сразу после Большого взрыва. Эти температуры удалось получить в драматичных, противоречивых условиях умирающих звезд, когда те, износившись, пошатнулись и наконец стали распадаться, больше неспособные уплачивать энтропии налог на сложность.
Чтобы понять, как звезды, агонизируя, производят новые элементы, нужно разобраться в том, как они живут и старятся.
Жизнь звезды длится миллионы или миллиарды лет, так что наблюдать ее старение мы не можем. Поэтому астрономы, которые изучали небо невооруженным глазом, например майя, народ с озера Мунго или жители древних Афин, не могли рассказать современную историю жизни и смерти звезд. Наши сегодняшние представления основаны на результатах исследований, проводимых по всему миру с использованием приборов и данных, которые появились лишь в последние 200 лет. Благодаря массивам этих данных ученые могут обмениваться информацией о миллионах звезд на разных стадиях жизни. Как сказал английский астроном Артур Эддингтон, представители этой науки как будто ходят по лесу, где есть молодые побеги, а есть зрелые, старые и умирающие деревья [36] . Изучая деревья в разные моменты жизненного цикла, можно понять, как они растут, развиваются и умирают.
36
Andrew King. Stars: A Very Short Introduction. Oxford: Oxford University Press, 2012. P. 49.
У астрономов есть одна главная карта, где собрано огромное количество информации о звездах, – это диаграмма Герцшпрунга – Рассела. Для них это то же самое, что глобусы, которые когда-то можно было найти в каждом школьном классе. Диаграмма, как и эти глобусы, помогает осмыслить большое количество информации.
Диаграмма Герцшпрунга – Рассела была создана около 1910 года, на ней звезды классифицированы по двум основным свойствам. Первое откладывается по вертикальной оси, это собственная яркость, или светимость, звезды – количество энергии, которое она на самом деле испускает в космос, – по сравнению с Солнцем. Второе свойство – это цвет, по которому можно определить температуру поверхности звезды в кельвинах (К). Его обычно отмечают на горизонтальной оси. Поскольку два этих числа на протяжении жизни звезды меняются, с помощью графика можно понять, какая судьба ждет звезды разных типов. Существенные различия в их жизненной истории в первую очередь зависят еще от одной величины – массы того облака материи, из которого образовалась звезда. У массивных звезд иная судьба, чем у звезд с малой массой [37] .
37
Ibid. P. 59.
Диаграмма Герцшпрунга – Рассела, упрощенная версия. Здесь примерно показано, как расположены представители различных типов звезд
На диаграмме Герцшпрунга – Рассела звезды с наибольшей светимостью, испускающие больше всего энергии, например Сириус, расположены выше других. Обычно это звезды с наибольшей массой. Звезды с наименьшей светимостью, например наша соседка Проксима Центавра, расположены ниже. Наше Солнце (со светимостью, равной 1) находится в середине. Звезды с очень высокой температурой поверхности находятся левее, а те, у которых температура поверхности низкая, правее.