Main menu:

Теория Гамова

В 1946 г. Г. А. Гамов опубликовал свою теорию образования химических элементов, в которой предполагалось, чтоВ космосе изначально все вещество состояло из нейтронов. Случайно сталкиваясь, два нейтрона образуют дейтрон (ядро, состоящее из протона и нейтрона) и электрон. Захватывая нейтрон, дейтрон превращается в ядро трития (ядро, содержащее два нейтрона и один протон), которое в свою очередь также может захватить нейтрон и т. д., вплоть до образования ядер с атомной массой порядка 250. Некоторые из образовавшихся таким образом ядер неустойчивы и распадаются с испусканием электрона и антинейтрино (этот процесс называется бета-распадом). Простые расчеты, уточненные впоследствии его коллегами Ральфом Альфером и Робертом Херманом, позволили Гамову оценить температуру и плотность, при которых данная цепочка ядерных реакций может привести к наблюдаемому относительному содержанию тяжелых элементов.

Как выяснилось, соответствующая температура настолько высока, что почти вся энергия должна быть сосредоточена в излучении, тогда как на долю частиц вещества ее приходится крайне мало. Для сравнения укажем, что в современную эпоху на долю излучения приходится ничтожно малая часть плотности энергии во Вселенной. Гамов, Альфер и Херман отметили, что по мере расширения Вселенной, излучение должно остывать, оставаясь при этом равновесным. По расчетам Альфера и Хермана, космическое пространство в наше время должно быть заполнено равновесным излучением с температурой 5 К.

В те годы, однако, астрономы не предпринимали попыток обнаружить предсказанное теорией Гамова излучение. И дело не только в том, что в 50-е годы произвести необходимые измерения было чрезвычайно сложно, главное состояло в том, что теория Гамова страдала одним роковым недостатком.

В 1949 г. Энрико Ферми и Джон Туркевич, детально рассчитав несколько начальных этапов процесса образования химических элементов, предложенного Гамовым, обнаружили, что последовательные захваты нейтронов, сопровождающиеся бета-распадом при тех условиях, которые описывал Гамов, действительно могут привести к возникновению ядер дейтерия, трития, гелия-3 и гелия-4 в необходимых количествах. Однако далее процесс резко обрывается. Реакции с участием нейтронов, протонов и ядер с массовым числом 2, 3 и 4 не могут привести к образованию более тяжелых ядер в заметных количествах. Сам Гамов отчетливо понимал, что это обстоятельство делает его теорию уязвимой, но надеялся, что проблема каким-то образом решится. Расчеты Ферми и Туркевича перечеркнули эти надежды.

Кроме того, теория Гамова противоречила результатам наблюдений. В начале 50-х годов анализ звездных спектров надежно подтвердил полученные ранее свидетельства того, что в Солнце и ближайших звездах содержание тяжелых элементов по отношению к водороду в 10-100 раз больше, чем у звезд, удаленных от плоскости Галактики. Если элементы тяжелее гелия (который, как известно, образуется в реакциях термоядерного синтеза, протекающих в недрах звезд) образовались на ранних стадиях эволюции Вселенной, то их нынешнее содержание по отношению к водороду должно быть практически одинаковым во всей Галактике. Однако астрономические наблюдения, бесспорно, показывали, что не менее 90% тяжелых элементов, входящих в состав Солнца и ближайших звезд, имеют вторичное происхождение.