Fizyka przychylna życiu
Andrzej Oleś
Spojrzenie z pewnego dystansu na prawa i stałe fizyczne pozwala stwierdzić , że natura w
sposób subtelny dopasowała się zapewniając możliwość życia. Małe odchyłki od praw względnie
niewielkie zmiany wartości stałych fizycznych powodują radykalne skutki uniemożliwiające
wyewoluowania życia. Te właśnie sugestie wskazujące na preferowanie przez naturę życia
nazywamy koincydencjami antropicznymi. Poniżej kilka przykładów tych koincydencji.
Wielki Wybuch
Obserwowane przez Habbla prędkości rozbiegania się galaktyk, liczebna przewaga we
Wszechświecie lekkich pierwiastków a wreszcie promieniowanie reliktowe wskazały
jednoznacznie na nieodzowność Wielkiego Wybuchu (W.W.). Korzystając z ogólnej teorii
względności można prześledzić rozwój materii w czasoprzestrzeni a zatem jej rozprzestrzenianie w
miarę stygnięcia z biegiem czasu.
W pierwszym okresie po W.W. występowała zapewne mieszanina kwarków i antykwarków,
elektronów i pozytonów oraz wielkie ilości kwantów promieniowania. Obie formy materii
korpuskularna i promienista sukcesywnie przemieniały się jedna w drugą w procesach generacji i
anihilacji. Po czasie Plancka ( 10
-43
s ) rodzą się cząstki W
+
i W
-
oraz Z
o
, które będą dalej odgrywały
ważna rolę w tzw. oddziaływaniach słabych. W miarę stygnięcia materii powstają z kwarków
nukleony i antynukleony. A oto pierwsze niezwykle ważne zjawisko: w czasie rzędu 10
-10
s po
W.W. zachodzi łamanie symetrii materia – antymateria.. W tym okresie pojawia się np. jeden
dodatkowy proton na 100 milionów par proton – antyproton. Materia zaczyna przeważać nad
antymaterią. Gdyby łamanie symetrii nie zaistniało Wszechświat składałby się z kwantów
anihilacji a tam trudno spodziewać się możliwości życia. Podobnie jak dla protonów zostaje
złamana w tym samym stosunku symetria elektronów i pozytonów. Zapewnia to równowagę
ładunkową (proton +, elektron - ). Astronomowie twierdzą, że brak tej równowagi i pola
elektryczne bardzo skomplikowałyby lub uniemożliwiły powstawanie galaktyk.
Rozpatrując ekspansję czasoprzestrzeni i stygnięcie materii dochodzimy do chwili, gdy z
nukleonów zaczynają powstawać jądra atomów lekkich. Tu obserwujemy następny ważny efekt.
Szybkość rozbiegania się cząstek w puchnącej przestrzeni uniemożliwia masową fuzję. Innymi
słowy pozostaje wiele wodoru i jąder helu, które zapewnią syntezę jądrową w gwiazdach. Pojawi
się wysoka temperatura gwiazd i ich promieniowanie, tak ważne dla życia na planetach. W
gwiazdach będą się rodziły jądra ciężkich pierwiastków, również ważnych dla żywych
organizmów ( w człowieku występuje 25 pierwiastków ). Generowane w gwiazdach ciężkie
pierwiastki zostają gromadzone na powierzchni gwiazd a w czasie wybuchu supernowej są
wyrzucane w przestrzeń dając materiał do następnych generacji gwiazd. Tak, jako wtórny, powstał
nasz układ słoneczny.
Wróćmy do zagadnienia szybkości ekspansji. Zgodnie z obliczeniami P.C.W. Daviesa ( 1 )
gdyby w okresie początkowym ekspansja była o 0,1 % szybsza, to w chwili obecnej była by o
tysiące razy szybsza, co uniemożliwiłoby powstanie w międzyczasie galaktyk. Gdyby była w
takim samym stosunku wolniejsza nastąpiłby kolaps, gdy rozmiary Wszechświata były 10
6
razy
mniejsze niż obecnie. Późniejsze rachunki jeszcze bardziej wyostrzyły wnioski wykazując, że
zmiana prędkości ekspansji o milionową część w początkowym okresie była by zabójcza ( 2). Do
analogicznych wniosków prowadzą szacunki genialnego S. Hawkinga. Jest to kolejna antropiczna
koincydencja.
( 1 ) R.H. Dicke, “Gravitation and the Universe”, Philadelphia, 1970, 62
( 2 ) M. Longair. ”Confrontation of Cosmological Data” Dordrecht 1974, 285
Z powyższym zagadnieniem pozostaje w związku tzw. stała kosmologiczna. Przyjmuje się, że
ona reguluje szybkość ekspansji Wszechświata. W równaniu Einsteina (ogólna teoria względności)
spotykamy stałą grawitacyjną i kosmologiczną. Mimo wycofania się Einsteina z tej wielkości
ostatnio ona odżyła w kosmologii. W tzw. jednostkach naturalnych przyjmujemy stałą
grawitacyjną równą 1 a wówczas stała kosmologiczna musi być mniejsza od 10
-120
( 3 ). Stała ta
może przyjmować wartości ujemne lub dodatnie. Przyjmując małe wartości ujemne otrzymujemy
gwałtowny kolaps Wszechświata. Analogicznie małe wartości dodatnie prowadzą do
wykładniczego, wybuchowego wzrostu prędkości ekspansji – brak czasu na powstanie galaktyk.
Jedynie przyjęcie bezwzględnej wartości stałej kosmologicznej mniejszej od 10
-120
prowadzi do
Wszechświata w obecnej postaci. Należy podkreślić, że stała ta nie jest równa zero o czym
świadczą m. i. dane astronomiczne dotyczące dokładnie przebadanych super nowych typu Ia. Jest
to jedna z najsubtelniejszych znanych w fizyce wielkości, gdzie po zerze następuje 120 zer i
dopiero cyfra. Wszechświat jest rzeczywiście niezwykle precyzyjnie dostrojony !!!
Układ periodyczny pierwiastków
Zgodnie z teorią W.W. po czasie 1s rozpoczyna się powstawanie jąder lekkich pierwiastków.
Istotnym etapem jest utworzenie deuteru (
2
H ), na który składa się proton i neutron. Na tej bazie
rozwija się dalsza budowa nuklidów. I tak np.
2
H + H daje jądro trytu (
3
H ) lub
2
H +
2
H tworzy
cząstkę alfa (
4
He ). W omawianych tu procesach istotną rolę odgrywa stabilność protonu. A nie
jest ona tak oczywista wobec faktu, że zarówno mezony jak i bariony ( nukleony i hiperony ) są
niestabilne. Jedynym wyjątkiem jest proton. Nawet. neutron swobodny ulega rozpadowi ( z
niezwykle długim ) okresem połowicznego rozpadu 10 min. Inna rzecz, że związany w jądrze, na
skutek subtelnego efektu kwantowego, zostaje stabilizowany. Gdyby nie ten efekt, jądra
pierwiastków układu periodycznego nie mogłyby istnieć (poza wodorem). Ważną koincydencją
antropiczną jest stabilność protonów. Zagadnienia nie psuje sugestia teoretyków, z uwagi na
unifikację oddziaływań, że średni czas życia protonów wynosi 10
31
lat ( okres znacznie dłuższy od
życia Wszechświata 13,7 10
9
lat ). Masa neutronu jest o ułamek procenta większa od masy protonu
i z tym związany jego rozpad. Gdyby odwrotnie M
p
> M
n
to protony ulegałyby szybkiemu
rozpadowi. Jednak i w tym przypadku możliwe było by uzyskanie całego układu pierwiastków, ale
już bez wodoru. A bez wodoru trudno wyobrazić sobie życia.
Zwróćmy uwagę, że w układzie periodycznym nie występują stabilne nuklidy
5
He ani
8
Be. W
tym miejscu pojawia się blokada dalszego rozwoju jąder atomowych. Ujawnia się tu następna,
bardzo elegancka antropiczna koincydencja. Jeśli dwa jądra
4
He doznają zderzenia to na krótki
czas 10
-17
s może powstać jądro
8
Be. Jeśli w tym czasie uderzy następna cząstka alfa to może
powstać jądro
12
C. Jednak prawdopodobieństwo takiego procesu jest niezwykle małe. Jak
wykazały obliczenia F. Hoyle liczne, występujące w przyrodzie jądra
12
C na pewno nie mogły
powstać na tej drodze. Wspomniany autor zwrócił uwagę na występujący w tym przypadku
rezonans, który ratuje sytuację ( 4 ). W gwiazdach, przy wysokiej temperaturze, energie
składników, z których powstaje jądro węgla osiągają wartość poziomu wzbudzonego nuklidu
12
C.
W tym przypadku zachodzi zjawisko rezonansu. Trudność w budowie jąder
( 3 ) S. W. Hawking et al. – “The Constants of Physics” Vol.A310, 1983,304.
( 4 ) M.J. Rees “Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society”, Vol.22,1981,122
układu periodycznego została przełamana. W tym przypadku energia poziomu
12
C wynosi 7,66
MeV, co dokładnie odpowiada energii trzech zderzających się cząstek alfa.. Fakt ten zwiększa
znakomicie możliwość powstawania
12
C. Gdyby
energia ta wynosiła 7,5 MeV lub 7,8 MeV
rezonans byłby niemożliwy. Tak więc, niezwykle precyzyjne zjawisko rezonansu zachodzącego w
gwiazdach umożliwia dalszy rozwój układu periodycznego. Jest to chyba najpiękniejsza z
antropicznych koincydencji.
Skoro mowa o rezonansie to warto jeszcze wspomnieć o powstawaniu
16
O. Jądro tlenu powstaje
w procesie
12
C +
4
He. Powstaje pytanie, czy i w tym przypadku mamy do czynienia z rezonansem.
Rozumując analogicznie jak w przypadku powstawania węgla spróbujmy skorzystać z poziomu
16
O ( 7,1187 MeV ). Na szczęście tu nie ma rezonansu. Gdyby zaistniał cały węgiel „spaliłby się”
w gwiazdach. A trzeba przyznać, że bardzo niewiele brakuje ( procenty ) do rezonansu i w tym
przypadku. Jest to kolejna, tym razem negatywna , ale przychylna dla życia koincydencja.
Teoria fizyki cząstek przewiduje występowanie parametru v zwanego polem Higgsa. Parametr
ten określa masy cząstek. Np. masa elektronu jest do niego proporcjonalna. Niewielka zmiana
parametru v pociąga za sobą katastrofalne, z punktu widzenia możliwości życia, skutki. Np. gdyby
v było nieco większe, niż jest obecnie, to pojawiła by się nietrwałość neutronów również w jądrze
atomowym. Mógłby istnieć tylko wodór a to za mało dla chemii życia. Autorzy piszący na ten
temat stwierdzają, że v nie może się różnić więcej jak kilka procent od obecnej wartości. Już sam
fakt możliwości zaburzenia wspomnianych powyżej rezonansów jest wiele mówiący.
Oddziaływania fizyczne
Przypomnijmy, że fizyka wyróżnia cztery rodzaje oddziaływań. Oto one: Oddziaływania silne
( tzw. jądrowe ), słabe ( odpowiedzialne za emisję elektronów czy pozytonów z jąder
atomowych ), elektromagnetyczne oraz grawitacyjne.
Oddziaływania silne, krótko-zasięgowe są odpowiedzialne za wiązania kwarków a w
konsekwencji za wiązania nukleonów w jądrach atomowych. Jest rzeczą charakterystyczną, że
niewielka zmiana natężenia tych silnych sił wprowadza sytuację wrogą dla możliwości powstania
życia. Jest to ważna koincydencja antropiczna. Zwiększenie tych sił o kilka procent
spowodowałoby tworzenie diprotonów i dineutronów ( 5 ). - Tak więc, w silnych i bardzo
szybkich oddziaływaniach ( brak czasu na powstawanie galaktyk ) „spalałby się” wodór dając na
drodze gwałtownej syntezy nieznane nam cząstki. Trudno wyobrazić sobie biochemię bez wodoru.
Dodajmy, że wg. P.C.W. Daviesa (6) zwiększenie tych sił o 2 % spowodowałoby zablokowanie
powstawania protonów z kwarków. Z drugiej strony zmniejszenie tych sił zaledwie o 4% pociąga
za sobą nietrwałość deuteru. Energia wiązania tego ważnego dla budowy jąder atomowych nuklidu
jest bardzo mała. Występująca obecnie wartość silnych oddziaływań jest, z punktu widzenia
możliwości życia niezwykle korzystna. Niebagatelny jest też fakt, że siły silne są krótko
zasięgowe. Gdyby były daloko zasięgowe Wszechświat zwinąłby się do kropli (7).
(5) L.L. Rozental, „Elementary Particles and the Structure of Universe”, Moskwa, 1984,85
(6) P.C.W. Davies, “Particles and Nuclear Physics” , 1985,Vol 10, Wyd. D. Wilkinson.,20.
(7) P.W. Atkins, “The Creation”, Oxford 1981,13
Oddziaływania słabe, przebiegające za pośrednictwem cząstek W
+
, W
-
i Z
0
odgrywają
decydującą rolę w rozwoju i trwaniu Wszechświata. Dzięki temu, że są one bardzo słabe
„spalanie” wodoru w fuzji protonowo-protonowej jest 10
18
razy wolniejsze niż gdyby to
przebiegało za pośrednictwem silnych oddziaływań. Ten wolny przebieg umożliwia trwanie
gwiazd przez miliardy lat, co jest niezbędne do wyewoluowania życia. (8). Gdyby oddziaływania
słabe były znacznie silniejsze to już w W.W. następowałaby dalsza synteza aż do cięższych
pierwiastków włącznie. Niewiele pozostałoby pierwiastków do dalszej syntezy w gwiazdach.
Analiza spektralna promieniowania kwazarów potwierdza powstawanie w W.W. jedynie jąder
lekkich pierwiastków. Oddziaływania słabe nie mogłyby być też znacznie słabsze, bo szybkie
oddziaływania silne zmajoryzowałyby przebieg zdarzeń. Istniejący stosunek oddziaływań silnych
do słabych nie może być zaburzony. Dodajmy, że oddziaływania słabe umożliwiają rozpad
neutronów, co gwarantuje rodzenie się protonów niezbędnych do syntezy w Wszechświecie.
Ujawniająca się wartości słabych oddziaływań jest optymalna z punktu widzenia możliwości
powstawania i istnienia życia.
Na dobrą sprawę Model Standardowy dopuszcza brak elektromagnetyzmu we Wszechświecie.
Wystarczy jedynie pominąć w jego równaniach pewne wyrazy. Jednak elektromagnetyzm
odgrywa we Wszechświecie zasadniczą rolę. Bez niego nie mogłyby istnieć atomy, nie miałaby
sensu chemia. Wielkość oddziaływań elektromagnetycznych określa stała struktury subtelnej
1/137. Odpowiadający jej parametr silnych sił jądrowych wynosi 1. Innymi słowy krótko
zasięgowe, silne siły jądrowe są w przybliżeniu 100 razy silniejsze od daleko zasięgowych
elektromagnetycznych ( każdy ładunek oddziałuje z każdym). Korzystając z tych faktów można
oszacować liczbę możliwych pierwiastków na około 100. Nie wiele się mylimy, bo jest ich 92.
Gdyby siły elektromagnetyczne były dwukrotnie większe to protony posiadające większą energię
wynikającą z ładunku elektrycznego ( wobec równoważności energii i masy ) ulegały by
rozpadowi. Wreszcie siły elektrostatyczne powodują wzajemne odpychanie protonów, co w
połączeniu z własnościami słabych oddziaływań zapewnia powolną fuzję w gwiazdach.
Przejdźmy wreszcie do grawitacji. Oddziaływania grawitacyjne są niezwykle słabe i zadziwia
fakt, że to one decydują o powstawaniu galaktyk i trwaniu Wszechświata. Grawitacja jest przecież
10
38
razy słabsza od oddziaływań elektromagnetycznych. Jej dziesięciokrotny wzrost ( zamiast 10
38
było by 10
37
) spowodował by, że gwiazdy były by małe i szybko stygnące. Nasze Słońce trwałoby
jedynie milion lat (9). A to za mało, żeby z chemii wyłoniła się biochemia a z nią życie. Mówiąc
nawiasem powstawanie życia musi być niezwykle trudne, do tego stopnia, że przypuszczalnie na
10
23
obserwowanych przez nas gwiazd jedynie w jednym przypadku mogło ono zaistnieć.
Natomiast, gdyby grawitacja była 10 razy słabsza to niemożliwe byłoby powstawanie gwiazd (8).
Jednak trzeba przyznać, że prawa fizyki protegują życie!!!
Przytoczone tu nieliczne przykłady koincydencji antropicznych świadczą o niezwykłym
dostrojeniu natury do wymagań życia. Obserwacja dwóch czy trzech koincydencji jest dość
dziwna, ale może jeszcze być tłumaczona przypadkowością. Natomiast kilkanaście koincydencji
antropicznych skłania raczej do refleksji.
(8) P. Dyson, Scientific American, Sept. 1971, 51
(9) R. Breuer, „Das Anthropische Prinzip”, Monachium, 1983, 22
Czytelnika zainteresowanego szczegółami odsyłam do następujących pozycji, które ukazały się
już w polskim tłumaczeniu:
I) John Leslie „Przejawy delikatnego dostrojenia“ – Zagadnienia Filozoficzne w Nauce,
XVI, 1994, str. 27 – 62
II). Stephen M. Baar „Współczesna Fizyka a Wiara w Boga” Wrocław,2005, Techtra
III) Michał Heller „Wszechświat – Środowisko Człowieka” PAU, Prace Komisji
Zagrożeń Cywilizacyjnych, 2004, Tom VI, 25.