A HIDROGÉN ÉS A HÉLIUM

Miért van ez így? Összefér-e egy hidrogén–hélium világegyetem a „big bang”-gel?

Hogyne, kétségkívül - legalábbis az eredetileg Gamowtól származó gondolatmenet szerint, amelyet azóta továbbfejlesztettek, de alapvetően nem változtattak meg.

Ez a következőképpen szól. A táguló világegyetem az ősrobbanás után azonnal a másodperc törtrésze alatt lehűlt annyira, hogy kialakulhattak az atomok ismerős alkatrészei: a protonok, a neutronok és az elektronok. De ez a hőmérséklet még mindig iszonyúan magas volt, így aztán semmi olyan sem létezhetett, ami ezeknél összetettebb. A részecskék nem kapcsolódhattak össze; ha ekkora hőmérsékleten ütköznek egymásba, egyszerűen visszapattannak.

Ami a proton-proton vagy neutron-neutron ütközéseket illeti, még a világegyetem jelenlegi, sokkal alacsonyabb hőmérsékletén is ugyanez a helyzet. Azonban ahogy a korai univerzum hőmérséklete tovább csökkent, végül lehetővé vált, hogy a proton-neutron ütközések eredményeként ez a két részecske összetapadjon. Kettejüket az úgynevezett erős kölcsönhatás (a négy ismert kölcsönhatás-fajta közül a legerősebb) tartja össze.

A magában álló proton a hidrogénmag, ahogy e fejezet korábbi részében elmagyaráztam. A proton-neutron együttes azonban szintén nem egyéb, mint egy hidrogénmag, hiszen egyetlen protont tartalmaz - márpedig ez az egyedüli feltétele, hogy egy magot hidrogénnek minősítsünk. A hidrogénmag e két változata (a proton és a proton-neutron) a hidrogén izotópjai, amelyeket a részecskék teljes száma szerint neveznek el: a proton, amely csupán egyetlen részecske, lesz a hidrogén-1 mag, a proton-neutron együttes pedig, amely összesen két részecske, a hidrogén-2 mag.

A korai világegyetemben uralkodó magas hőmérsékleten, amikor a különböző magok kialakultak, a hidrogén-2 nem volt túlságosan stabilis. Vagy különálló protonokra és neutronokra igyekezett ismét szétesni, vagy további részecskékkel próbált összetettebb (de esetleg stabilisabb) magokká egyesülni.

A hidrogén-2 mag ütközhet egy protonnal és hozzátapadhat; ekkor olyan mag keletkezik, amely két protonból és egy neutronból áll. Mivel ebben az együttesben két proton van, ez héliummag lesz; s mivel összesen három részecskéből áll, ez a hélium-3.

Ha a hidrogén-2 egy neutronnal ütközik össze és hozzátapad, akkor a létrejövő atommag egy protonból és két neutronból, összesen tehát ismét három részecskéből fog állni. Ez lesz a hidrogén-3.

A hidrogén-3 semmilyen hőmérsékleten, még a világűr mai hidegében sem stabilis; még akkor is belső változáson megy át, ha megvédjük az egyéb részecskékkel való bármiféle kölcsönhatástól vagy ütközéstől. Két neutronja közül az egyik előbb-utóbb protonná alakul, így a hidrogén-3-ból hélium-3 lesz. Az átalakulás a jelenlegi körülmények között nem túlságosan gyors: a hidrogén-3 magok fele valamivel több mint tizenkét év alatt válik hélium-3-má. A korai világegyetem hihetetlenül magas hőmérsékletén ez nyilván gyorsabb volt.

Most tehát három olyan magunk van, amely mai körülmények között stabilis: a hidrogén-1, a hidrogén-2 és a hélium-3.

A hélium-3 részecskéi még gyöngébben kötődnek egymáshoz, mint a hidrogén-2-éi, és a korai világegyetem hőségében erősen törekszenek arra, hogy vagy szétváljanak, vagy további részecskéket vegyenek föl.

Ha a hélium-3 egy protonnal akad össze és az rá is tapad, akkor olyan atommagot kellene kapnunk, amely három protonból és egy neutronból áll. Ez lenne a lítium-4. A lítium-4 azonban semmilyen körülmények között sem stabilis: egyik protonja még a Föld felszínének alacsony hőmérsékletén is azonnal átalakul neutronná. Az eredmény egy olyan együttes, amely két protont és két neutront tartalmaz, vagyis a hélium-4.

A hélium-4 nagyon stabilis mag, közönséges hőmérsékleten (a hidrogén-1-et, vagyis az egyedülálló protont leszámítva) az ismert legstabilabb. Ha egyszer létrejött, akkor még nagyon magas hőmérsékleten sem igen bomlik el.

Ha a hélium-3 egy neutronnal ütközik és kapcsolódik össze, egyből hélium-4 keletkezik. Ha két hidrogén-2 mag ütközik és tapad össze, abból is hélium-4 lesz. Ha a hélium-3 egy hidrogén-2-be vagy egy másik hélium-3-ba ütközik, akkor megint csak hélium-4 jön létre, a fölösleges részecskék pedig különálló protonokként, illetve neutronokként lépnek ki. Így a hidrogén-2 és a hélium-3 rovására hélium-4 képződik.

Lényegében tehát amint a világmindenség lehűlése elért arra a pontra, hogy a protonok és a neutronok összetettebb magokká egyesülhettek, az első ilyen nagyobb mennyiségben keletkező atommag a hélium-4 volt.

Ahogy azonban a világegyetem tovább tágult és hűlt, a hidrogén-2 és a hélium-3 csökkenő valószínűséggel alakult tovább, és egy részük - hogy úgy mondjam - belefagyott a tartós létezésbe. Ma csak minden 7000 hidrogénatom között találunk egyetlen hidrogén-2-t. A hélium-3 még ritkább: csupán minden milliomodik héliumatom ilyen.

A hidrogén-2 és a hélium-3 tehát elhanyagolható, és azt mondhatjuk: amint kellően lehűlt, az univerzum anyaga azonnal hidrogén-1 és hélium-4 magokká alakult. Tömegének 75 százalékát a hidrogén-1, 25 százalékát a hélium-4 adta.

Végül ott, ahol a hőmérséklet elég alacsony volt, a magok magukhoz tudták vonzani a negatív töltésű elektronokat; ezeket a pozitív magok elektromágneses kölcsönhatással, a négy kölcsönhatás-fajta közül a második legerősebbel ragadják meg. A hidrogén-1 mag egyetlen protonjához egyetlen elektron képes társulni, a hélium-4 mag két protonjához pedig kettő. Ily módon hidrogén- és héliumatomok jönnek létre.

Ezek szerint ami az atomok számát illeti, a világegyetem minden 1000 atomjából 920 lenne a hidrogén-1, 80 pedig a hélium-4.

Megvan a magyarázat a hidrogén-hélium világegyetemre.

De várjunk csak! Mi lesz a héliumnál nagyobb tömegű, magasabb rendszámú atomokkal? (A négynél több részecskét tartalmazó összes magot egy kalap alá vehetjük „nehéz atomok” néven.) Nagyon kevés nehéz atom van a világmindenségben, de azért csak vannak. Hogyan jöttek létre?

Logikusnak tűnik a válasz, hogy bár a hélium-4 nagyon stabilis, mégiscsak hajlamos lehet némiképp arra, hogy egy protonnal, neutronnal, egy hidrogén-2-vel, hélium-3-mal vagy egy másik hélium-4-gyel egyesüljön, kis mennyiségben ilyen vagy olyan nehéz atomot hozva létre, s ez lenne a forrása ezeknek a jelenlegi világegyetem tömegében nagyjából 3 százalékot kitevő atomoknak.

Sajnos, ez a válasz nem állja meg a helyét.

Ha a hélium-4 egy hidrogén-1-gyel (egy magában álló protonnal) ütközik, és a kettő összetapad, akkor az eredmény egy olyan mag kellene hogy legyen, amely három protonból és két neutronból áll. Ez volna a litium-5. Ha a hélium-4 egy neutronnal ütközik és kapcsolódik össze, akkor ez egy olyan magot eredményezne, amelynek két protonja és három neutronja van, vagyis egy hélium-5-öt.

Ha létrejönne is, sem a lítium-5, sem a hélium-5 nem maradna fönn a másodperc billiomodrészének néhány billiomodrészénél tovább, még a világűr mai hidegében sem. Ennyi idő alatt ismét hélium-4-re és egy protonra, illetve neutronra bomlanának el.

Annak esélye, hogy a hélium-4 egy hidrogén-2 vagy egy hélium-3 maggal ütközhessen és tapadhasson össze, nagyon csekély, tekintettel arra, hogy ez utóbbiak rendkívül ritkák az őskeverékben. Az ily módon létrejövő nehéz atomok mennyisége túlságosan kicsiny ahhoz; hogy magyarázatot adhatna a mai arányokra.

Valamelyest több esély van arra, hogy egy hélium-4 mag egy másik hélium-4-gyel ütközhessen és tapadhasson össze. Az ilyen dupla hélium-4 mag négy protont és négy neutront tartalmazna, s ez lenne a berillium-8. Viszont a berillium-8 ugyancsak rendkívül kevéssé stabilis mag, és még a jelenlegi világegyetemben sem létezik a billiomod másodperc néhány századrészénél tovább. Mihelyt létrejött, máris ismét két hélium-4 magra esik szét.

Nagyot lendítene a dolgon, ha egyszerre három hélium-4 mag találkozna és kapcsolódna össze egy hármas ütközésben, erre viszont egy olyan keverékben, amelyben a hélium-4-et túlnyomórészt hidrogén-1 veszi körül, túlságosan kicsi az esély ahhoz, hogy számoljunk vele.

Következésképpen amikor a világegyetem annyira kitágult és lehűlt, hogy az összetett magok képződése végbemehetett, csakis a hidrogén-1 és a hélium-4 létezhetett számottevő mennyiségben. Ami neutron fölöslegben maradt, az protonná (hidrogén-1-gyé) és elektronná bomlott. Nehéz atomok egyszerűen nem jöttek létre!

Egy ilyen világegyetemben a hidrogén-hélium gázfelhők galaxis-méretű tömegekre oszlanak szét, amelyek azután csillagokká és óriásbolygókká tömörülnek. Végtére is a csillagok és az óriásbolygók szinte kizárólag hidrogénből és héliumból állnak. Van bármi értelme a kevéske nehéz atom miatt izgatni magunkat, amelyek a létező atomok tömegének mindössze 3 százalékát, számuknak pedig kevesebb mint 1 százalékát alkotják?

Van bizony! Erre a 3 százalékra muszáj magyarázatot lelnünk. Még ha a csillagokban és az óriásbolygókban elhanyagolhatóan kicsi is a nehéz atomok mennyisége, az olyan bolygók, mint a Föld, majdnem teljesen nehéz atomokból állnak.

Mi több, az emberi test (általában az élőlények) tömegének a hidrogén csak 10 százalékát teszi ki. Hélium egyáltalán nincs is bennünk. A tömeg fönnmaradó 90 százalékát a nehéz atomok adják.

Más szóval, ha a világegyetem olyan marad, amilyen a „big bang” következtében az atommag-képződés folyamatának befejeződésekor volt, akkor a Földhöz hasonló bolygók léte és az általunk ismert élet teljességgel lehetetlen volna.

Mivel mi is a világon vagyunk, kellett hogy nehéz atomok jöjjenek létre. De hogyan?