Из всего этого следует, что сильное взаимодействие между протонами и нейтронами происходит только на очень малых расстояниях, и, чтобы эти силы начали действовать, частицы должны оказаться очень близко друг к другу. Это требование и создаёт трудности при рассмотрении вопроса об образовании элементов в ранней Вселенной.[31] Верно, что из-за высоких температур в ранней Вселенной протоны и нейтроны испытывали множество сверхинтенсивных столкновений, в ходе которых достаточно сближались, чтобы сильное взаимодействие могло сцеплять их друг с другом. Протон и нейтрон могли объединяться, образуя ядро дейтерия (тяжёлого водорода). Но дейтериевые ядра очень хрупки, и в яростном хаосе Большого Взрыва они быстро разлетались на части. А без образования дейтерия не могли образовываться и более тяжёлые элементы. Этот тупик получил название «дейтериевого бутылочного горлышка».

Но в конце концов Вселенная остыла достаточно для того, чтобы дейтерий перестал распадаться в результате столкновений и смог служить строительным материалом для создания более тяжёлых ядер. Два ядра дейтерия могли объединяться и образовывать ядро гелия-4. А если ядро дейтерия присоединяло отдельный протон, получалось ядро гелия-3. Так, по-видимому, и открывался путь к созданию остальных химических элементов. Однако, по мере того как Вселенная продолжала остывать, наметилась очередная трудность.

Ядра дейтерия заряжены положительно и, следовательно, отталкиваются друг от друга. Когда Вселенная остывала, движения дейтериевых ядер замедлялись, становились вялыми. Теперь, когда они сближались, включались электромагнитные силы и отбрасывали их друг от друга. Ядра просто не могли сблизиться настолько, чтобы сильное взаимодействие включилось и связало их воедино. Отбрасывались и свободные протоны. Спустя всего несколько минут, за которые успело образоваться некоторое количество ядер гелия и лития, нуклеосинтез должен был оборваться.

Путь к образованию более тяжёлых элементов в ходе Большого Взрыва оказался отрезан. А мы снова остались с тем же вопросом: откуда взялись химические элементы?

Вселенная как Lego

Была ли возможность избежать «дейтериевого бутылочного горлышка»? Разумеется, должны существовать иные пути образования тяжёлых элементов. Что, если вдобавок к объединению протона и нейтрона в дейтерий, мы рассмотрим склейку двух протонов (дипротон) или двух нейтронов (динейтрон) и дальнейшее построение элементов из этих «кирпичиков»? Разве не забавно было бы строить Вселенную на манер башни из Lego, соединяя разные блоки друг с другом так и этак? Но, увы, это невозможно: ядерная физика всё-таки не алхимия. Некоторые реакции очень редки, а некоторые – вообще невозможны.

У гелия-3 три нуклона (два протона и один нейтрон), у гелия-4 четыре (два протона и два нейтрона), и так далее, до урана-238, самого тяжёлого из природных элементов. Чтобы строить элементы из протонов и нейтронов, нам придётся склеивать меньшие ядра, получая всё более тяжёлые. Если исходный материал – просто океан отдельных протонов и нейтронов, то, чтобы этот процесс начать, неизбежно придётся пройти через что-то состоящее всего из двух нуклонов. У нас всего три возможности составить такую пару: протон-протон (дипротон), нейтрон-нейтрон (динейтрон), или протон-нейтрон (дейтерон). Мы можем наивно предположить, что дипротоны не могут существовать из-за электростатического отталкивания – в конце концов, одинаковые заряды отталкиваются, а каждый протон обладает положительным электрическим зарядом. Однако сильное взаимодействие, которое склеивает нуклоны друг с другом, называется так не зря. На масштабах, которые мы здесь рассматриваем, отталкиванием зарядов можно пренебречь. Массивные ядра с большим количеством протонов знать не знают ни о каких электромагнитных силах. Мы ещё поговорим об этом позже!

Итак, дипротоны, динейтроны и дейтероны, похоже, прекрасно подходят на роль кубиков, из которых состоит вещество. Но мы не учли одну вещь – спин. Идея спина была введена в квантовую механику Вольфгангом Паули в 1924 году.[32] Он определил эту величину как «двузначность, не поддающуюся классическому описанию». Двузначность попросту означает нечто, принимающее только два различных значения (как выключатель настольной лампы). Но в классической физике нет ничего, что ведёт себя подобным образом. Как же тогда это описать? Вы угадали – с помощью квантовой механики!

Спин – это внутренняя степень свободы фундаментальной частицы. Вот почему у этого понятия нет хорошего классического аналога. Это одна из первых концепций квантовой физики, с которой встречаются студенты, и происходит это обычно на занятиях по химии. В каждой школьной химической лаборатории на стене висит периодическая таблица элементов. Они пронумерованы по порядку, от 1 (водород, H) до 118 (оганесон, Og), но поначалу кажется, что они организованы в таблицу довольно странным образом. Водород и гелий одиноко стоят в верхней строке, но по мере движения вниз строки начинают заполняться. Всё объясняется в основном порядком, которому следует расположение электронов в атомах каждого элемента. В периодической таблице представлены нейтральные атомы, каждый – со своим полным комплектом электронов. Не будем забывать, однако, что в ранней Вселенной существовали только водород и гелий и что в течение нескольких сотен тысяч лет Вселенная оставалась слишком горячей, чтобы электроны могли надолго прицепиться к ядрам. Но вернёмся к периодической таблице.

При обсуждении атомов на химическом уровне используются такие понятия, как орбитали, оболочки и квантовые числа. Они определяют различные свойства электронов, окружающих ядро. Одно из таких квантовых чисел придумал Паули, чтобы объяснить расположение электронов в оболочках атомов. Правило, выведенное им, заключается в том, что никакие два электрона не могут иметь одного и того же набора квантовых чисел – это так называемый принцип запрета Паули. Возможно, вы помните порядок заполнения орбиталей электронами, который когда-то проходили на уроках химии – 1s, 2s, 2p… 3d, и т. д.

Мы только что сказали, что у всех частиц есть спин. Самая маленькая величина спина – когда его нет, то есть он равен нулю. Оказывается, в одном отношении Паули был неправ: двузначность спина электронов не универсальна. У спина может быть больше значений, и его разрешённые значения могут быть целыми или полуцелыми, то есть спин некоторого объекта может равняться 0, ½, 1, 1½, 2, и т. д. Сейчас мы знаем, что фундаментальные частицы с целочисленными значениями спина (0, 1, 2, и т. д.) ведут себя совершенно не так, как частицы с полуцелым спином (½, 1½, 2½, и т. д.). Первые называются бозонами, а вторые фермионами. Ключевое различие между ними – это, конечно, их отношение к принципу запрета Паули. Согласно ему никакие два фермиона не могут находиться в одном квантовом состоянии: если у нас есть точное описание фермиона (например, протона или электрона), никакой другой фермион не может иметь того же описания. Вспомним, что в школьной химии вам приходилось приписывать каждому электрону различное квантовое число.