Liczby życia

Gdy mówimy o warunkach koniecznych do zaistnienia życia, zazwyczaj mamy na myśli Słońce, wodę i tlen. Nie ma w tym nic błędnego, ale jest to jedynie połowa prawdy. Powstawanie pierwiastków i związków chemicznych, narodziny galaktyk, gwiazd, planet i życia zawdzięczamy warunkom, jakie zapanowały we Wszechświecie z chwilą Wielkiego Wybuchu. W języku naukowym często nazywa się to dostrojeniem wszechświata. Królewski astronom sir Martin Rees uznał za szczególnie istotne w dostrojeniu Wszechświata, sześć liczb. Znaczenie przypisuje zarówno liczbie wymiarów przestrzennych i czasowych, jak i wartości sił rządzących przyrodą. Poznajmy te liczby.

Pierwszą z nich jest Ν ꞊10³⁶ wyrażającą stosunek dwóch sił: odpychającej protony siły elektrostatycznej i przyciągającej je siły grawitacyjnej, odwrotnie proporcjonalnych do kwadratu odległości.  Grawitacja ma duże znaczenie dla ogółu życia i całego Wszechświata. Jest jednak słaba w porównaniu z innymi siłami, wpływającymi na zachowanie atomów. Gdyby Ν wynosiło np. 10³⁰, (więc grawitacja byłaby silniejsza), masy atomów, planet i galaktyk byłyby miliard razy mniejsze  od obecnych. Wówczas dochodziłoby do częstych zderzeń gwiazd, gdyż byłyby położone zbyt blisko siebie. Uniemożliwiłoby to także wytworzenie się złożonych ekosystemów, spowodowanych brakiem odpowiedniej ilości czasu potrzebnego do tego procesu – gwiazdy nie żyłyby dziesięć miliardów lat, lecz zaledwie dziesięć tysięcy.^[1]

Druga liczba Ε ꞊0,007  określa siłę wiązania protonów i neutronów w jądrach atomowych. Siła  ta jest odpowiedzialna za nukleosyntezę. Gdyby wartość tej liczby wynosiła 0,006, wówczas proton nie mógłby połączyć się z neutronem, w konsekwencji nie doszłoby do syntezy helu i kolejnych pierwiastków układu okresowego. Natomiast gdyby wartość tej liczby wynosiła 0,008, cały wodór przekształciłby się w hel w zaledwie parę minut po Wielkim Wybuchu, tym samym pozbawiając gwiazdy paliwa i uniemożliwiając powstanie wody.^[2]

Wartości tych liczb są ściśle uwarunkowane parametrem Ω꞊1 . Ω jest miarą gęstości materii we Wszechświecie – galaktyk, rozproszonego gazu oraz ciemnej materii. Gdyby parametr ten nie był jednością, początkowa prędkość ekspansji Kosmosu uniemożliwiłaby powstanie złożonych struktur. Zbyt szybkie rozszerzanie się Wszechświata nie doprowadziłoby do skupienia materii przez grawitację, a więc nie powstałyby gwiazdy i galaktyki; natomiast zbyt mała prędkość ekspansji doprowadziłaby do zapadnięcia się Wszechświata i nastąpiłaby Wielka Implozja.^[3]

Odpowiedzialność za ekspansję przypisuje się ciemnej energii, będącej swoistą siłą antygrawitacyjną. W wyniku jej działania, obecne tempo rozszerzania się Wszechświata podwaja jego rozmiar co 8 miliardów lat.^[4] Oznacza to, że jest najsłabszą siłą przyrody – słabszą nawet od grawitacji. Wygrywa z grawitacją wyłącznie dlatego, ponieważ średnia gęstość materii we Wszechświecie jest bardzo mała, a więc nie dominuje tam, gdzie występują planety, gwiazdy i galaktyki. Wartość siły  ciemnej energii, oznaczonej symbolem λ   jest równa 0,7^[5].

Parametry takie jak Ω nie byłyby definiowalne, gdyby nie parametr Q . Wyraża on stosunek energii potrzebnej do związania struktur w kosmosie (gwiazd, galaktyk i gromad galaktyk) i energii potrzebnej do ich rozproszenia, równy 10^-5. Gdyby Q była mniejsza lub większa, Wszechświat miałby zupełnie inną „fakturę” (nie tak jednorodną), znacznie mniej sprzyjającą do powstania życia. Z punktu widzenia stanu początkowego Wszechświata, Q wraz z Ω i λ są szczególnie istotne dla jego ekspansji.^[6]

Ostatnią kluczową liczbą dla powstania życia jest D ꞊3, wyrażającą liczbę wymiarów przestrzennych. W dwuwymiarowej przestrzeni grawitacja przestałaby być siłą przyciągającą, nie powstałyby żadne struktury, ani obserwatorzy (niemożliwe byłoby chociażby krzyżowanie się neuronów). Czterowymiarowość przestrzeni natomiast prowadziłaby do zaistnienia siły grawitacji odwrotnie proporcjonalnej do sześcianu odległości , w której nie mogłyby istnieć stabilne orbity. Jak już powiedziałem, siła ciążenia i siła elektrostatyczna są odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości, których stosunek definiuje N . Zatem to trójwymiarowość przestrzeni jest odpowiedzialna za wartość parametru N.

Albert Einstein opracowując szczególną teorię względności, wprowadził do nauki czwarty wymiar – czas. Czas charakteryzuje tzw. strzałka czasu, która ciągnie nas w jednym kierunku i na którą nie mamy żadnego wpływu. Tymczasem w przestrzeni możemy się poruszać, jak chcemy. Czas jest także jednowymiarowy, co również ma kluczowe znaczenie – gdy liczba wymiarów czasowych jest różna od jednego, fizyka traci swoją zdolność przewidywania i powstanie mózgu oraz innych organizmów na drodze ewolucji nie miałoby sensu.

Istotne jest to, że wymienione cztery wymiary występują w skali makroskopowej. Zgodnie z M-teorią  (najbardziej obiecująca teoria, unifikująca wszystkie siły rządzące Wszechświatem), przewiduje się, że istnieje łącznie jedenaście wymiarów, lecz pozostałych siedmiu nie jesteśmy świadomi, gdyż występują w skali mikroskopowej. Tłumaczy się to tym, że w momencie Wielkiego Wybuchu, Wszechświat był doskonale symetryczny, lecz niestabilny. Niestabilność złamała symetrię i nastąpił podział na dwa światy: czterowymiarowy, który wciąż się rozszerza i siedmiowymiarowy, który został „zwinięty” do skali Plancka  – najmniejszej, nieprzekraczalnej granicy miary, długości i czasu.^[7]

Przekonaliśmy się, że aby mógł zaistnieć Wszechświat, jaki znamy, warunki początkowe musiały posiadać niezwykle restrykcyjne wartości. Naukowcy poznali większość nich z niemal stuprocentową dokładnością, a wkrótce być może poznamy je wszystkie. Wiedza ta pozwala nam na co raz lepsze zrozumienie przebiegu ewolucyjnego Wszechświata, a w konsekwencji powstanie Drogi Mlecznej, Układu Słonecznego i Ziemi. Opowiem o tym w następnym wpisie.

Powiązane:
Krótka historia przestrzeni → O idei multiwszechświata → Liczby  życia → Od Wielkiego Wybuchu do narodzin Ziemi → Jak cenne jest życie? cz.1→ Jak cenne jest życie? cz.2  → Czy świadomość czyni nas wyjątkowymi?

Przypisy:
[1] M. Rees, Tylko 6 liczb, Warszawa: Wydawnictwo CiS 2000, s. 49-55.
[2] Tamże, s. 80-83.
[3] Tamże, s. 136-140.
[4] M. Tegmark, Nasz matematyczny Wszechświat, Warszawa: Prószyński i S-ka 2014, s. 160.
[5] M. Rees, dz. cyt., s. 151.
[6] Tamże, s. 159-177.
[7] Tamże, s. 203-221, zob. M. Kaku, Hiperprzestrzeń, Warszawa: Prószyński i S-ka 2012, s. 263.