Ponad 3/4 składu chemicznego wszechświata – a przynajmniej jego widocznych składników – stanowi wodór. Dlaczego wielki wybuch okazał się tak nieoryginalny prowadząc do masowej produkcji jedynie najprymitywniejszego możliwego pierwiastka, z domieszką helu?

Krótko: Powsta­nie cięż­szych pier­wiast­ków niż wodór wymaga udziału neu­tro­nów, a tych zawsze mieliśmy deficyt.

Ciut dłużej: Wszędzie wokół nas, w sposób natu­ralny wystę­pują 94 pier­wiastki. Jest to jednak tylko pozorna róż­no­rod­ność – w skali całego wszech­świata tylko dwa z nich stanowią ponad 99% całości, z czego 78% zajmuje sam wodór. Taka kon­fi­gu­ra­cja che­miczna ma prawo Cię dziwić, jeśli sły­sza­łeś kiedyś o tym jak powstała więk­szość atomów budu­ją­cych nasze ciała oraz planetę, po której szczę­śli­wie stąpamy. Wszech­obecny węgiel, tlen, azot, krzem i cała zgraja loka­to­rów zaj­mu­ją­cych kolejne okienka układu okre­so­wego, pro­du­ko­wana jest w trakcie reakcji ter­mo­ją­dro­wych towa­rzy­szą­cych egzy­sten­cji wszyst­kich gwiazd na nie­bo­skło­nie. Ist­nie­nie atomów cięż­szych od żelaza zawdzię­czamy z kolei super­no­wym, czyli eks­plo­zjom wień­czą­cym żywot naj­ma­syw­niej­szych spośród nich.

Czego dotyczy wąt­pli­wość? Skoro ciśnie­nie i tem­pe­ra­tura panujące w gwiezd­nych jądrach dopro­wa­dzają do kre­owa­nia niemal całej tablicy Men­de­le­jewa, to dlaczego pier­wiastki te nie mogły  powstać już w ogniu wiel­kiego wybuchu? Dlaczego u zarania wszech­rze­czy nie­zli­czone masy cząstek ele­men­tar­nych ufor­mo­wały niemal wyłącz­nie wodór z dodat­kiem helu?
Struktura chemiczna wszechświataCofnijmy się do pierw­szej chwili ist­nie­nia, a dokład­niej do jakichś dwóch dzie­sią­tych sekundy. Wszech­świat jest roz­pa­lony do 20–30 miliar­dów kelwinów i wypeł­niony wyso­ko­ener­ge­tyczną papką, w której można dostrzec elek­trony oraz zalążki pierw­szych nukle­onów. Mamy więc już do dys­po­zy­cji wszyst­kie skład­niki konieczne do skon­stru­owa­nia atomu – jednak wciąż zbyt roz­dy­go­tane aby mogły wchodzić ze sobą w komitywę. Oznacza to, iż protony i neutrony pozo­stają chwilowo swobodne, co jest kluczowe dla roz­wią­za­nia naszej zagadki. Powi­nie­neś wiedzieć, iż neutrony będące pospo­li­tym i nie­odzow­nym ele­men­tem niemal każdego jądra ato­mo­wego (z wyjąt­kiem wodoru) są… nie­trwałe. Nie musisz się obawiać, ponieważ owa chwiej­ność dotyczy wyłącz­nie samot­nych neu­tro­nów; niemniej poza jądrami neutrony giną sta­ty­stycz­nie po dzie­wię­ciu minutach, naj­czę­ściej z uwol­nie­niem protonu, elek­tronu i anty­neu­trina. W odróż­nie­niu od nich, protony są praw­dzi­wymi twar­dzie­lami, o średnim czasie życia w gra­ni­cach sek­sty­liona lat (lub dłuższym) – w praktyce będąc cząst­kami abso­lut­nie trwałymi.

Już wtedy, w pierw­szym momencie po wielkim wybuchu, fizyczna cha­rak­te­ry­styka obu nukle­onów zade­cy­do­wała o przy­szłej kom­po­zy­cji materii. Chociaż prze­cięt­nie neutron znika w ciągu dzie­wię­ciu minut, to biorąc w rachubę ogromny dynamizm młodego kosmosu i panujące w nim eks­tre­malne warunki, wystar­czył ułamek sekundy dla zachwia­nia rów­no­wagi. Wiedząc to, słynny teoretyk George Gamow już wiele dekad temu wyliczył, iż zanim tem­pe­ra­tura spadła do 10 miliar­dów kelwinów, na 100 protonów przy­pa­dało 60 neu­tro­nów, zaś przy miliar­dzie kelwinów już tylko niecałe 15 neu­tro­nów. Dopiero teraz, po upływie trzech minut oddzia­ły­wa­nie silne jest w stanie skleić pierwsze jądra atomów, do których za jakiś czas dołączą elek­trony. Co ciekawe pojawiło się wśród nich sporo jąder deuteru (1 proton + 1 neutron), trytu (1 proton + 2 neutrony) i helu He-3 (2 protony + 1 neutron). Izotopy te okazały się jednak niezbyt stabilne – zwłasz­cza przy takich ener­giach – i nie prze­trwały próby czasu ustę­pu­jąc miejsca naj­prost­szym i znacznie trwal­szym warian­tom wodoru oraz helu (2 protony + 2 neutrony). Rzecz jasna, z uwagi na ogromne dys­pro­por­cje, więk­szość protonów nie mogła znaleźć dla siebie partnera w formie neutronu. Właśnie dlatego naj­pow­szech­niej­szym skład­ni­kiem wszech­świata siłą rzeczy stał się zwykły wodór, złożony wyłącz­nie z jednego protonu i elek­tronu. Od tamtej chwili mającej miejsce 13,82 mld lat temu, pro­por­cje między nukle­onami we wszech­świe­cie nie uległy zna­czą­cej zmianie.

Jednak nawet rozu­mie­jąc popu­lar­ność wodoru nadal możesz głowić się nad tym, dlaczego dostępne neutrony pozwo­liły na utwo­rze­nie jedynie helu? Dlaczego na początku ist­nie­nia nie powstało choć trochę tlenu, węgla, magnezu, wapnia i tak dalej? Natura działa w sposób dość oczy­wi­sty, próbując formować po kolei to co naj­ła­twiej­sze. Tym­cza­sem po helu, następne w kolejce stoi jądro zawie­ra­jące pięć nukle­onów – jednak takowe (stabilne) w przy­ro­dzie nie funk­cjo­nuje. Zmusza nas do prze­rwa­nia ciągu i “prze­skoku” do litu-6 i litu-7, dalej berylu i boru. Nie­wy­klu­czone, że pier­wotna nukle­osyn­teza skleciła nieco tych pier­wiast­ków, ale nawet łącznie nie sta­no­wiły one więcej niż tysięcz­nej części całości. Potem musie­li­by­śmy wykonać kolejny “skok” bo brakuje trwałego jądra z ośmioma nukle­onami. W ten sposób otrzy­mu­jemy swego rodzaju bra­ku­jące ogniwa, które sku­tecz­nie wyha­mo­wały procesy jądro­twór­cze przed dotar­ciem do węgla, azotu i tlenu.

Warto dodać, iż szacunki Gamowa powstały na bazie rozważań o warun­kach panu­ją­cych w począt­kach wszech­świata. Prze­wi­dziana przez niego che­miczna struk­tura kosmosu – rewe­la­cyj­nie potwier­dzona przez póź­niej­sze obser­wa­cje – stanowi jeden z naj­cen­niej­szych argu­men­tów potwier­dza­ją­cych teorię wiel­kiego wybuchu.
  • Grzegorz Skrzyń­ski

    Adamie, jako chemik muszę się wtrącić. W przy­ro­dzie nie wystę­puje sta­bi­liny izotop technetu, więc 93 pier­wiastki 🙂

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Hendra

    Bardzo podoba mi się to TL;DR. Miałbym jednak prośbę — czy mógłbyś pod­rzu­cić mi linki, książki bądź dodać artykuł opi­su­jący rozpad protonu? Troszkę temu czytałem o doświad­cze­niu, które miało potwier­dzić tę hipotezę, ale niestety (z tego co pamiętam) nie dało wycze­ki­wa­nych rezul­ta­tów. Chętnie poczy­tał­bym o postę­pach w tym temacie 🙂

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0