Первые звезды сформировались в конце первой недели января — через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Вскоре после этого появились первые галактики, но для окончательного формирования нашей галактики Млечный Путь пришлось бы подождать до начала марта, т. е. до 10 млрд лет назад. Август был для нас хорошим месяцем — в это время образовалось Солнце, а вскоре после него — все остальные планеты Солнечной системы. В сентябре, через каких-то несколько сотен миллионов лет после образования Земли, на ней появились едва заметные признаки существования жизни — простейшие одноклеточные организмы.
Только через 2 млрд лет, в ноябре, жизнь преодолела изначальный примитивизм и сделала следующий шаг на пути к более сложным, многоклеточным формам. К началу декабря наивысшей формой жизни на Земле была преимущественно слизь. Затем происходит нечто интересное. По причинам, о которых мы сейчас можем только догадываться, условия на Земле и, по-видимому, жизнь как таковая достигли некой критической точки: взрыв эволюционной активности создал множество разнообразных жизненных форм. Это событие произошло 15 декабря, приблизительно 540 млн лет назад, и получило название кембрийского взрыва в соответствии с названием геологической эпохи, в которую оно имело место.
Жизнь в ту пору находилась на самых первых ступеньках эволюционной лестницы. Динозавры появились в канун Рождества, почти одновременно с нашими далекими предками — первыми млекопитающими. На Рождество динозавры почти полностью захватили Землю, но 29 декабря по нашему календарю (или 65 млн лет назад) они вымерли в результате столкновения Земли с астероидом. Это событие как минимум расчистило эволюционную площадку до такой степени, что какие-то малозначительные млекопитающие могли эволюционировать в освободившихся экологических нишах. И, как это часто случается с людьми, только в канун Нового года группа млекопитающих наконец-то взялась за ум и начала думать о будущем. В 10:15 утра появились первые обезьяны, а к 21:24, после 11 часов (или 17 млн лет) эволюционных усилий, они наконец освоили прямохождение. Мы научились писать 15 секунд назад и всего лишь через 5 секунд после этого ухитрились построить пирамиды, что в принципе совсем неплохо. И вот, как марафонец в последнем финишном рывке, Христофор Колумб открыл Америку всего лишь за секунду до наступления Нового года. Можете отдышаться — вы только что преодолели очень длинную дистанцию.
Прокрути мы всю последовательность космической истории снова, могла бы жизнь зародиться раньше? Могла ли она развиваться быстрее? Или мы и так добились необычайного успеха, поскольку жизнь в целом очень редко принимает такие сложные формы? А что, если немного изменить условия в нашей Вселенной? Могла ли жизнь эволюционировать по-другому? Стоит ли нам полностью сосредотачиваться на поисках сложной жизни? Кто сказал, что примитивные формы жизни, пусть даже отличные от земных, не заслуживают нашего внимания? Ответ на этот вопрос зависит от того, для чего это вам нужно: обсуждать кинофильмы или изучать процессы развития жизни. Чтобы понимать, при каких условиях жизнь может возникнуть во Вселенной, а при каких — нет, нам важно учитывать, из чего могут состоять живые организмы и откуда они берут строительный материал.
Мы все состоим из звездной пыли
Периодическая таблица Менделеева — настоящее произведение искусства. Это также наиболее удачная из когда-либо созданных научных схем. Она описывает все известные науке химические элементы и демонстрирует с невероятной наглядностью, как свойства вещества зависят от структуры его атомов. Элементы периодической таблицы образуют последовательность: каждый элемент описывается своим атомным числом, которое равно количеству протонов в его ядре. В ядре атома водорода — один протон, у гелия — два (уравновешенные двумя нейтронами), у лития — три и т. д. Это позволяет нам ответить на некоторые основополагающие вопросы мироздания (настолько основополагающие, что вы никогда о них не задумывались): существуют ли химические элементы легче водорода? Может ли существовать неизвестный науке элемент между водородом и гелием? Ответ на оба эти вопроса отрицательный — нельзя составить ядро атома, взяв какую-то часть протона. В периодической таблице нет пробелов: нам известны все существующие в природе элементы от водорода до урана (92 протона). Мы даже знаем последовательность элементов тяжелее урана — так называемые трансурановые элементы. Это короткоживущие, радиоактивные, нестабильные элементы, которые были искусственно получены в ядерных лабораториях.
Откуда взялись все эти элементы? Случайность ли то, что на Земле оказался их полный набор? Давайте вернемся к самому началу: если начать отсчет в момент Большого взрыва, то к тому времени, как вы досчитаете до 200 или около того, наблюдаемая Вселенная будет размером примерно в один световой год в диаметре. Все, что мы считаем «нормальной материей» — протоны, нейтроны, электроны, — находится в состоянии плазмы при температуре несколько миллионов градусов. Только что закончилась фаза первичного нуклеосинтеза, в ходе которой в результате слияния ядер водорода образовывались ядра гелия. Может показаться, что это фаза была не слишком продуктивной: лишь около 25 % от общей массы рассеянного во Вселенной водорода превратилась в гелий. Далее незначительная часть получившегося гелия трансформировалась в литий. На этом все и закончилось. За последующие 600 млн лет не было создано никаких новых химических элементов.
Разумеется, обидно сознавать, что за кратким периодом бурной деятельности последовал столь долгий перерыв, но для этого имелись веские причины. Ядерный синтез возможен лишь в условиях огромных температур и плотностей. Такие условия существовали лишь в течение нескольких минут на раннем этапе существования Вселенной. В следующий раз они сложатся только после того, как возникнут первые звезды, и в условиях сверхвысоких температур и плотностей в недрах этих звезд вновь запылает огонь термоядерного синтеза.
Звезды — это настоящие ядерные скороварки, где элементы сливаются в термоядерном пламени, производя все более и более тяжелые атомные ядра вплоть до железа (содержащего 26 протонов). Вследствие некоторых особенностей физики элементарных частиц синтез атомных ядер легче железа в условиях высокой температуры и давления приводит к выделению небольшого количества дополнительной энергии. Эта энергия позволяет плазме оставаться горячей и тем самым поддерживает реакцию термоядерного синтеза. Но у атомных ядер тяжелее железа каждое слияние требует дополнительной энергии: в результате температура звезды снижается и ядерное буйство со временем затухает. Вследствие этого звезды, особенно массивные, способны производить элементы с атомным числом меньше железа, и не более того.
Это примерно третья часть всех элементов периодической таблицы. Откуда же взялись все остальные? В конце жизненного цикла звезд, когда огромное давление их внешних оболочек больше не способно поддерживать реакцию термоядерного синтеза в центре звезды, может произойти катаклизм. Звезды с низкой массой — одного порядка с массой Солнца — кончают свой жизненный цикл как белые карлики — тлеющие звездные «угли», которые когда-то были горячим ядром звезды. Термоядерное пламя гаснет, «зола» медленно (очень медленно) остывает и перестает излучать свет.
