Это утверждение лежит в основе нашего понимания материи, ведь атомы — это строительные блоки всего, что имеет массу. Но откуда берутся сами атомы? Этот вопрос уводит нас в глубины космологии и ядерной физики, к самым истокам Вселенной.
Атом состоит из ядра, которое включает в себя протоны и нейтроны, и вращающихся вокруг него электронов. Протоны обладают положительным зарядом, электроны — отрицательным, а нейтроны заряда не имеют. Число электронов в атоме равно числу протонов, что делает атом электрически нейтральным. Наиболее распространенные в космосе элементы — это водород и гелий. Водород — самый простой атом, он состоит из одного протона и одного электрона. Гелий содержит два протона, два нейтрона и два электрона. Эти атомы сформировались примерно через 400 тысяч лет после взрыва — события, положившего начало расширению Вселенной около 14 миллиардов лет назад.
Сразу после Большого взрыва температура во Вселенной была слишком высокой, и электроны не могли быть связаны с ядрами — они обладали очень большой энергией. Только когда температура опустилась до примерно 2 760 градусов Цельсия, электроны смогли занять устойчивые орбиты, и начали формироваться первые атомы. Этот этап, несмотря на свое название «рекомбинация», на самом деле был первым объединением ядер и электронов. Однако ядра самих водорода, гелия и дейтерия (тяжелой формы водорода) появились еще раньше — всего через несколько минут после Большого взрыва, когда температура превышала 556 миллионов градусов Цельсия.
Примерно 90% обычной материи во Вселенной сегодня представлено атомами водорода и около 8% — гелием. Но элементы, из которых состоит Земля и все живое — углерод, кислород, железо и многие другие — требуют для своего появления более сложных условий. Их формирование происходит внутри звезд. При высоких температурах и давлениях там происходят ядерные реакции слияния — процессы, в которых легкие ядра объединяются в более тяжелые. Чтобы два положительно заряженных протона соединились, необходимо преодолеть силу, с которой они отталкивают друг друга. И лишь на очень малом расстоянии начинает действовать сильное ядерное взаимодействие, которое связывает такие частицы вместе.
Звезды, особенно те, которые массивнее нашего Солнца, выступают как гигантские кузницы, в которых формируются элементы вплоть до железа. Но для образования более тяжелых элементов, например, золота или урана, требуется еще больше энергии. Эти вещества возникают в ходе катастрофических событий — вспышек сверхновых и столкновений нейтронных звезд. Именно в такие моменты колоссальная энергия способна «склеивать» тяжелые ядра и разбрасывать их по Вселенной.
Ученые продолжают изучать происхождение самых тяжелых элементов и стремятся понять, какие космические процессы ответственны за их появление. В этом помогает Периодическая таблица элементов, на которой указано, какие элементы возникли в результате Большого взрыва, какие — в недрах умирающих звезд, а какие — в процессе столкновения звезд или под действием космического излучения.
Тем не менее, несмотря на то, что ученые знают практически все о веществах, из которых состоит мир, перед ними остается еще одна значительная загадка — темная материя. Это вещество не взаимодействует с обычными атомами, не испускает свет и его природа до сих пор не поддается полному объяснению. Такие тайны и продолжают двигать науку вперед — ведь чтобы полностью понять, из чего сделан наш мир, нужно разобраться не только с атомами, но и с тем, что находится за их пределами.
Тем временем капризы темной энергии заставляют ученых пересмотреть устройство Вселенной.