Вклад Хойла в науку велик и многогранен, однако на этих страницах я хочу сосредоточиться лишь на нескольких его открытиях в одной конкретной области – ядерной астрофизике. Труды Хойла в этой области стали одним из столпов, на которых зиждется современное понимание природы и эволюции звезд. А по пути Хойл разгадал и загадку, как во Вселенной образовались атомы углерода, служащие краеугольным камнем жизни во всей ее сложности. Однако чтобы осознать всю значительность достижений Хойла, нужно сначала понять, на какой почве и в какой обстановке он сделал свои открытия.

На стене в любом кабинете химии и физики висит плакат с периодической таблицей Менделеева (илл. 19). Подобно тому как наш язык состоит из слов, составленных из букв алфавита, все обычное вещество в космосе состоит из химических элементов. Элементы – это вещества, которые нельзя простыми химическими средствами разложить на более простые или модифицировать. Русский химик Дмитрий Менделеев [288] прославился не только тем, что еще в середине XIX века открыл периодические закономерности, которые легли в основу периодической таблицы, но и тем, что у него хватило отваги предсказать свойства элементов, которые еще не были открыты, но должны были занять свободные места в таблице. Во многих отношениях периодическая таблица – символ прогресса, которого достигла наука с тех времен, когда Эмпедокл и Платон предполагали, что вещество состоит из знаменитых четырех стихий – земли, воды, воздуха и огня. Позволю себе курьезное отступление: самое миниатюрное изображение периодической таблицы Менделеева было выгравировано в 2011 году на человеческом волосе [289] . Волос принадлежал профессору Мартину Полякову из Ноттингемского университета в Великобритании, а гравировка была выполнена в университетском нанотехнологическом центре (после чего волос вернули Полякову в подарок на день рождения).

На сегодня периодическая таблица состоит из 118 элементов – самый последний, унуноктий, был синтезирован в 2002 году, – 94 из которых встречаются в естественных условиях на Земле. Если задуматься, это довольно большой набор первичных строительных кирпичиков, а следовательно, сам собою напрашивается вопрос, откуда взялись все эти химические элементы. А можно сформулировать его и иначе: нет ли у этих довольно сложных сущностей более простых составляющих?

Эти вопросы и в самом деле были заданы еще до публикации периодической таблицы. В двух статьях, вышедших в свет в 1815 и 1816 году, английский химик Уильям Праут [290] выдвинул гипотезу, что атомы всех элементов – на самом деле конденсаты разного количества атомов водорода. Астрофизик Артур Эддингтон на основании общих принципов гипотезы Праута и результатов экспериментов, которые получил физик Фрэнсис Астон, сформулировал собственную догадку. В 1920 году Эддингтон предположил [291] , что четыре атома водорода могут каким-то образом объединиться и составить атом гелия. Небольшая разница между общей массой четырех атомов водорода и одного атома гелия, по предположению Эддингтона, должна высвобождаться в виде энергии – согласно знаменитому уравнению Эйнштейна E = mc 2, выражающему связь между массой и энергией (где E – энергия, m – масса, а c – скорость света). Эддингтон подсчитал, что тогда Солнце за счет преобразования нескольких процентов своей массы из водорода в гелий может светить миллиарды лет. Менее известен другой факт: примерно в то же время примерно такую же гипотезу выдвинул и французский физик Жан Перрен [292] .

Несколько лет спустя Эддингтон сделал дальнейшие выводы: вероятно, звезды и Солнце – естественные «лаборатории», в которых идут ядерные реакции, преобразующие одни элементы в другие. Когда некоторые физики из лаборатории Кавендиша возразили, что внутренней температуры Солнца недостаточно, чтобы заставить два протона преодолеть электростатическое отталкивание, Эддингтон, как рассказывают, ответил знаменитой фразой: «Так найдите, где жарче» [293] . Гипотеза Эддингтона и Перрена знаменовала рождение идеи звездного нуклеосинтеза в астрофизике: представления о том, что по крайней мере некоторые химические элементы можно синтезировать в жарких недрах звезд. Как вы, наверное, уже догадались, Эддингтон был среди самых верных сторонников теории относительности Эйнштейна, особенно общей теории относительности. Как-то раз к Эддингтону подошел физик Людвиг Зильберштейн и сказал, что все считают, будто общую теорию относительности во всем мире понимают лишь три человека, и Эддингтон – один из них. Эддингтон ответил не сразу, и Зильберштейн подбодрил его: «Ну-ну, не скромничайте!» На что Эддингтон проговорил: «Напротив, мне интересно, кто же третий» [294] . На илл. 20 приведена фотография Эйнштейна и Эддингтона в Кембридже.

Чтобы узнать, как же дальше развивалась история образования элементов, давайте вспомним некоторые основные свойства атомов. Памятки короче, пожалуй, и не придумаешь. Все обычное вещество состоит из атомов, и у всех атомов в серединке крошечные ядра (радиус атома более чем в 10 000 раз больше радиуса ядра), вокруг которых вращаются электроны, создавая орбитальные облака. Ядро состоит из протонов и нейтронов, почти равных по массе (нейтрон чуть-чуть тяжелее протона), и каждый из них примерно в 1840 раз массивнее электрона. Нейтроны, заключенные в устойчивом ядре, стабильны, а свободный нейтрон нестабилен – в среднем за 15 минут он распадается на протон, электрон и практически невидимую очень легкую электрически нейтральную частицу под названием антинейтрино. Нейтроны в нестабильных ядрах распадаются точно так же.

Самый простой и легкий атом – это атом водорода. Он состоит из ядра, в котором всего один протон. Вокруг этого протона вращается один электрон, вероятность нахождения которого на определенной орбите можно рассчитать средствами квантовой механики. Кроме того, водорода во Вселенной больше всего, он составляет примерно 74 процента всего обычного вещества (его еще называют барионным веществом). Барионное вещество – это вещество, из которого состоят звезды, планеты и мы с вами. Если двигаться по рядам периодической таблицы (илл. 19), с каждым следующим элементом число протонов в ядре возрастает на один, как и количество вращающихся вокруг ядра электронов. Поскольку число протонов равно числу электронов (и их электрические заряды противоположны по знаку и равны по величине), атомы в невозмущенном состоянии электрически нейтральны. За водородом в периодической таблице следует гелий, у которого в ядре два протона. Кроме того, ядро гелия содержит два нейтрона, которые электрически не заряжены. Гелий – второй по количеству элемент во Вселенной, он составляет примерно 24 процента обычного вещества в космосе. Атомы одного и того же химического элемента имеют одинаковое число протонов, и это число называется атомным числом элемента. Атомное число водорода – 1, железа – 26, урана – 92. Общее количество протонов и нейтронов в ядре называется атомной массой. У водорода атомная масса 1, у гелия 4, у углерода 12. Ядра одного и того же химического элемента могут содержать разное количество нейтронов, и они называются изотопами этого элемента. Например, неон, у которого 10 протонов, может образовывать изотопы с 10, 11 и 12 нейтронами в ядре. Изотопы принято обозначать так: 20Ne, 21Ne и 22Ne. Подобным же образом водород (один протон, 1H) встречается в природе и в виде изотопа дейтерия (один протон и один нейтрон в ядре, 2H), и в виде изотопа трития (один протон и два нейтрона в ядре, 3H).

Вернемся к основной проблеме синтеза различных элементов. Физики первой половины ХХ века столкнулись с рядом вопросов, связанных с периодической таблицей. Во-первых и в-главных, как формируются все эти элементы? Однако были и другие вопросы: почему одни элементы, например, золото или уран, встречаются очень редко (и потому-то и стоят так дорого), а другие, например, железо или кислород, распространены гораздо больше (кислород встречается примерно в сто миллионов раз чаще золота)? А еще – почему звезды состоят в основном из водорода и гелия?

Представления о процессе формирования элементов с самого начала были тесно связаны с колоссальными энергетическими запасами звезд. Вспомним, что еще Гельмгольц и Кельвин предположили, что энергия Солнца вырабатывается благодаря медленному сжатию и связанному с ним высвобождению гравитационной энергии. Однако, как ясно показал Кельвин, этот запас обеспечил бы солнечное излучение лишь на ограниченное время – не более чем на несколько десятков миллионов лет. А подобные ограничения прискорбным образом противоречили геологическим и астрофизическим данным, которые все точнее и точнее показывали, что и Земле, и Солнцу уже несколько миллиардов лет. Эддингтону было прекрасно известно о подобном вопиющем несоответствии. В обращении к съезду Британской ассоциации в Кардиффе 24 августа 1920 года он сделал следующее пророческое заявление: