Через несколько лет после того, как в 1928 году существование антиматерии предсказал Поль Дирак, Карл Андерсон открыл ее наличие в космических лучах: это высокоэнергетические космические частицы, которые сталкиваются преимущественно с молекулами кислорода и азота в верхних слоях земной атмосферы, образуя дождь вторичных частиц, включающий античастицу электрона – позитрон. Теперь мы знаем, что все элементарные частицы (фермионы) имеют зеркальных партнеров в антиматерии[19].Когда электрон приходит в контакт с позитроном, они полностью аннигилируют друг друга, а их массы объединяются и трансформируются в чистую энергию в соответствии с формулой E = mc>2.
В самых мельчайших микромирах также постоянно происходит процесс, обратный этой аннигиляции. Если бы мы могли увеличить квантовый мир, мы бы увидели, как разные частицы и их античастицы то возникают, то исчезают в процессе беспрерывного обмена между материей и энергией. Так, фотон, который представляет собой не более чем сгусток электромагнитной энергии, может трансформироваться в электрон или позитрон. Этот процесс известен как «создание пар». Но в реликтовой, плотной Вселенной, когда частицы и античастицы то появлялись, то исчезали, материя по какой-то причине начала преобладать над энергией. На это указывает тот факт, что мы вообще существуем. Нам еще предстоит понять, что случилось с «исчезнувшей антиматерией», которая, к счастью для нас, породила избыток материи, наблюдаемый нами сегодня.
Через несколько минут после Большого взрыва создались нужные условия для того, чтобы протоны (ядра водорода) и нейтроны слились, образуя гелий плюс крошечное количество элемента номер три, лития. Но по мере того, как Вселенная продолжала расширяться, температура и давление упали ниже того порога, когда из более легких частиц могли формироваться более тяжелые. Так случилось потому, что для термоядерной реакции сливающиеся ядра должны обладать достаточной энергией, чтобы преодолеть силу взаимного отталкивания своих положительных зарядов, однако ниже определенной плотности и температуры это уже не происходит.
Немного позже, после эры рекомбинаций, атомы начали слипаться под воздействием притяжения – пока я воздержусь от разговора о важнейшей роли, которую играет черная материя, об этом мы поговорим в главе 8 – и начали формироваться реликтовые газовые облака (протогалактики), а более плотные сгустки внутри этих облаков все сильнее сжимались из-за притяжения, пока они не нагревались до такой температуры, при которой термоядерная реакция возобновлялась. Зажигались новые звезды, и термоядерные реакции, происходящие в них, приводили к образованию новых элементов: углерода, кислорода, азота, а также других, которые сейчас есть на Земле.
Большая часть звезд первого поколения во Вселенной уже не существует, поскольку они давно взорвались как сверхновая, выбросив в космос большую часть своего содержимого и оставив сжатую материю в виде нейтронных звезд или черных дыр. Более тяжелые элементы – то есть все элементы периодической системы, кроме железа, – образуются только благодаря таким бурным событиям, как слияния новых, сверхновых и нейтронных звезд. Чем выше температура и чем экстремальнее условия в звезде, тем глубже процесс ядерного синтеза и тем более тяжелые элементы смогут образоваться – серебро, золото, свинец или уран. Это объясняется тем, что температура и плотность внутри звезды, необходимые для образования тяжелых элементов, достигаются в этот последний, драматический момент жизни звезды, когда она подвергается сильнейшему сжатию и при этом интенсивно сбрасывает внешние слои.
Материя, извергаемая при взрыве звезды, смешивается с межзвездным газом и может снова собираться в сгустки, образуя звезды следующего поколения. Тот факт, что на Земле есть такие тяжелые элементы, подтверждает, что наше Солнце является звездой по крайней мере второго поколения. Вот почему, как вы, наверное, слышали, иногда говорят, что мы буквально состоим из звездной пыли, поскольку многие атомы нашего тела сформировались именно внутри звезд.
