[Forsiden] [Origo 110 indholdsfortegnelse]

[Delsiden oprettet den 8/10 2008

Senest revideret den 9/10]

Finjusterede naturkonstanter og livsbetingelser

Af professor Ingolf Kanestrøm

Institut for geofag, Universitetet i Oslo

Oversættelse K. Back

Indhold

Kritiske er naturkonstanter

Rigtige antal nukleoner

Rigtige antal elektroner

Rigtige atomer

De rette molekyler

Stjernemasse

Det antropiske princip

Litteratur

I de senere år er det naturvidenskabelige samfund blevet overrasket over opdagelsen af hvor komplekst og følsomt samspillet mellem forskellige elementer må være for at intelligent liv skal kunne udfolde sig på Jorden. Det er faktisk sådan at universet ser ud til at være utroligt fint justeret helt fra starten. Inden for de forskellige dele af fysikken og astrofysikken, den klassiske kosmologi, kvantemekanikken og biokemi har en mængde observationer gentagne gange gjort det klart at carbonbaseret liv på Jorden er betinget af en hårfin balance mellem fysiske og kosmologiske størrelser. Ifølge fysikernes verdensbillede er naturprocesserne styret af naturlovene, og resultaterne af naturprocesserne er i høj grad afhængige af de værdier som ligger i naturkonstanterne som indgår i naturlovene. Hvis en af disse størrelser blev forandret bare en lille smule, ville balancen blive ødelagt, og livet kunne ikke eksistere.

Disse opdagelser har fået mange forskere til at konkludere at en sådan balance ikke kan bero på en tilfældighed, men det kræver en form for forklaring. Traditionelt ville sådanne kendsgerninger blive taget som bevis på et guddommeligt design, som fx Paleys teologiske argument fremsat i Natural Theology. Vi skal ikke gå ind i denne diskussion her, men vi skal se lidt på det som kaldes det antropiske princip.

Livet, som det er bundet op på grundstoffet carbon (kulstof), er betinget af en hårfin balance

 

Indholdsfortegnelse

Hvor kritiske er naturkonstanternes værdier?

For at liv skal kunne eksistere på Jorden, må universet frembringe de nødvendige byggeelementer og de naturprocesser som er nødvendige for liv. Fysikerne har beskrevet fire fundamentale kræfter. Disse kræfter bestemmer hovedtrækkene ved universet. De fire kræfter er den stærke kernekraft, den svage [kerne]kraft, den elektromagnetiske kraft og gravitationen (tyngdekraften). Styrken af kræfterne er som følger:

Den stærke (kerne)kraft                           = 15

                 Den svage kraft                               = 7,03 * 10^-3

Den elektromagnetiske kraft                      = 3,03 * 10^-12

                 Gravitationskraften                           = 5,90 * 10^-39

(10^x står for tallet 1 med x nuller bagi. 10^-x betyder brøken 1/10^x). Det faktum at gravitationskraften er 39 størrelsesordener mindre end den stærke kraft, er nødvendig for den kosmiske orden. Specielt er det afgørende for at stabile stjerner og planetbaner skal kunne dannes. Hvis gravitationskraften havde været en faktor 10¹² stærkere, ville universet have været langt mindre og livets historie meget kortere. En gennemsnitlig stjerne ville have haft en masse af størrelsesorden 10^-12 gange solens masse, og levetiden ville være ca. et år. På den anden side, hvis gravitationskraften havde været lidt svagere, så ville der ikke være blevet dannet nogen stjerner eller galakser overhovedet.

Hvis den stærke kraft havde været blot lidt svagere, ville der kun eksistere hydrogenatomer [brintatomer]. Hvis den havde været lidt stærkere i forhold til den elektromagnetiske kraft, ville en atomkerne bestående af to protoner være et stabilt træk ved universet. Dette betyder at der ikke ville være noget hydrogen. Og så er det tvivlsomt om nogen stjerner eller galakser har kunnet dannes.

For at liv skal være mulig, må mere end 40 grundstoffer kunne bindes sammen får at danne molekyler. Et molekyle består af flere atomer, og atomerne har en kerne bestående af nukleoner (protoner og neutroner). Vi skal nu se lidt nærmere på hvordan man kan få de rette nukleoner, elektroner, atomer og molekyler.

Universets dannelse er betinget af at gravitiationskraften (massetiltrækningen/tyngdekraften) er som den er

 

Indholdsfortegnelse

Det rigtige antal nukleoner

I de første øjeblikke efter dannelsen indeholdt universet nukleoner og anti-nukleoner. Anti-nukleonerne udslettede et tilsvarende antal nukleoner og skabte energi. Alle stjerner og galakser er dannet af de nukleoner som blev tilovers. Men for at der skulle kunne blive nukleoner tilovers, måtte der i udgangspunktet have været flest af dem. Hvis den overskydende del til at begynde med havde været mindre, ville der ikke være blevet materie nok til at danne galakser, stjerner og tunge grundstoffer. Hvis den overskydende del havde været større, kunne galakser dannes, men de ville kondenseres så effektivt at ingen af galakserne ville kunne deles op og danne stjerner og planeter.

Neutronen er 0,138 % mere massiv end protonen. Derfor kræves der mere energi for at danne en neutron end en proton. Da universet blev kølet ned efter Big Bang, blev der produceret flere protoner end neutroner, omtrent syv gange så mange. Hvis neutronen havde været blot 0,1 % tungere, ville der blive dannet for få neutroner til at danne de nødvendige atomkerner i alle de tunge grundstoffer, dem som er nødvendige for livet. Hvis neutronen havde blot 0,1 % mindre masse, ville så mange protoner bygges om til neutroner at alle stjernerne ville være brudt ned til neutronstjerner eller sorte huller. Hvis der skal være muligheder for liv på Jorden, må neutronmassen være finjusteret med mindre end 0,1 %.

Protoner kan nedbrydes til mesoner med en nedbrydningstid på 4 * 10³² år. Hvis protoner skulle nedbrydes langsommere, ville universet ikke indeholde nukleoner nok til at lave det nødvendige antal galakser, stjerner og planeter. Det skyldes at den faktor som bestemmer nedbrydningshastigheden, også bestemmer forholdet mellem nukleoner og anti-nukleoner i skabelsesøjeblikket. En mindre nedbrydningshastighed ville medføre at antallet af nukleoner ville nærme sig antallet af anti-nukleoner. Dermed ville der blive tilintetgjort for mange nukleoner.

Havde neutronens masse været blot en tusindedel forskudt i forhold til den nuværende, havde liv på Jorden ikke været muligt

 

Indholdsfortegnelse

Det rigtige antal elektroner

Hvis ikke antallet af elektroner var lig med antallet af protoner inden for en nøjagtighed på 1 til 10³⁷ eller bedre, så ville de elektromagnetiske kræfter i universet overvinde gravitationen i en sådan grad at galakser, stjerner eller planeter ikke ville kunne være blevet dannet. Dette er et så højt præcisionskrav at vi slet ikke kan forestille os det.

Rigtige atomer

Organiske [“biologiske”] molekyler kan ikke dannes hvis der ikke forekommer et tilstrækkeligt udvalg af atomer af forskellig form og størrelse. For at det skal ske, må der foreligge en fin balance mellem de naturkonstanter som styrer styrken på stærke og svage vekselvirkninger [kernekræfter], gravitationskraften og grundtilstandsenergien i atomkernerne. Den stærke vekselvirkning afgør i hvilken grad protoner og neutroner bindes sammen i atomkernen. Hvis denne kraft er for svag, vil protoner og neutroner ikke kunne holde sig sammen. I så tilfælde ville vi bare have hydrogen i universet. På den anden side, hvis den stærke vekselvirkning var lidt stærkere end den observerede, ville protoner og neutroner være så stærkt sammenbundet at ingen af dem ville være frie. Det ville så medføre at der ikke ville være hydrogen i universet. Og livets kemi er umuligt uden hydrogen. Livet ville ikke være muligt hvis den stærke vekselvirkningen havde været 2 % svagere eller 0,3 % stærkere end det vi observerer.

For at kunne opbygge en serie forskellige stabile strukturer som kan indgå i forskellige forbindelser med hinanden, må atomerne have store strukturer med rigelig plads mellem atomkernen og elektronerne. For at dette skal være mulig, må både finstrukturkonstanten α (α = 1/137) og forholdet mellem elektronmassen og protonmassen (n_e/mp = 1/1836) være små. De små værdier gør det muligt at danne lange kæder af molekyler, som DNA. Men hvis disse konstanter havde været for små, ville det ikke nære muligt at bygge stabile atomer.

Den svage vekselvirkning styrer bl.a. radioaktive processer. Hvis vekselvirkningen var meget større, ville materien i universet hurtigt blive omdannet til tunge stoffer. Hvis den var meget svagere, ville materien bestå af de letteste grundstoffer. I begge tilfælde ville de grundstoffer som er nødvendige for liv, fx carbon, oxygen, nitrogen og fosfor, enten ikke eksistere eller forekomme i for små mængder. Desuden ville det være sådan at hvis den svage vekselvirkningen ikke var så fint afbalanceret, ville de livsnødvendige grundstoffer som alene produceres i kernen af supernovaer, aldrig slippe ud af kernen. Supernovaer ville ikke eksplodere.

Styrken på gravitationskraften bestemmer temperaturen i kernerne af stjernerne. Hvis kraften var større, ville temperaturen i stjernernes indre blive så høj at den ville “brænde op” for hurtigt til at der ville kunne produceres livgivende grundstoffer. En planet som skal opretholde liv, må understøttes af en stjerne som både er stabil og som brænder over lang tid. Hvis gravitationskraften var for svag, ville stjernerne ikke blive varme nok til at kernefusion kunne forekomme. Der ville ikke produceres tungere elementer end hydrogen og helium.

Astrofysikeren Fred Hoyle har påvist at grundtilstandsenergien i atomkernen i helium, beryllium, carbon og oxygen må være justeret i forhold til hinanden hvis livet skal eksistere. C¹² [kulstof-12 (= alm. kul)] har et energiniveau som er blot lidt højere end summen af energiniveauerne i Be⁸ og He⁴. Uden denne finjustering kan man ikke forvente at der vil blive produceret carbon i det nødvendige omfang. Energiniveauet i O¹⁶ har nøjagtigt den rette værdi til at forhindre at al carbon forbinder sig med oxygen, eller til at sikre en tilstrækkelig produktion af O¹⁶ for at livet kan fungere. Hvis energiniveauet var afveget med mere end 4 %, ville der ikke kunne dannes et univers med tilstrækkelig oxygen eller carbon til at livet ville kunne eksistere.

Betingelserne for at protoner og neutroner kan holdes sammen.

Plads mellem atomkernen og elektronskallerne.

Supernovaers afhængighed af den svage kernekraft.

Hvorfor findes kulstof, (C)arbon, og ilt, (O)xygen, i de rette mængder?

 

Indholdsfortegnelse

De rette molekyler

For at livet skulle kunne opstå på Jorden, måtte mere end 40 forskellige grundstoffer kunne bindes sammen til molekyler. Molekylære bindinger er afhængige af mindst to faktorer, styrken i den elektromagnetiske kraft og forholdet mellem protonmassen og elektronmassen. Hvis den elektromagnetiske kraft havde været betydeligt større, ville atomerne være så stærkt bundet til elektronerne at de ikke ville “dele” elektroner med andre atomer. Men hvis kraften havde været betydeligt svagere, ville elektronerne slet ikke være bundet til atomerne. Og da ville atomerne ikke have delt elektroner med hinanden. (Det er “delingen af elektroner” som binder atomerne sammen til molekyler.) I dette tilfælde kunne der ikke dannes molekyler. Hvis der skulle kunne dannes mere end bare nogle få molekyler, må den elektromagnetiske kraft være temmelig godt afbalanceret.

Størrelsen af og stabiliteten i elektronbanerne om atomkernen er afhængig af forholdet mellem protonmassen og elektronmassen. Derfor må dette forhold også være i fin balance. Hvis det ikke var sådan, ville de kemiske bindinger der er nødvendige for at lave store organiske molekyler, ikke eksistere.

Al kemi (også livets) er afhængigt af den elektromagnetiske krafts nøjagtige størrelse

 

Indholdsfortegnelse

Stjernemasse

Forskning viser at forholdet mellem den elektromagnetiske kraft og gravitationskraften udgør en meget vigtig faktor. Hvis styrkeforholdet mellem disse naturkræfter blot blev forøget med 1 til 10⁴⁰, ville der kun kunne dannes store stjerner. Hvis forholdet blev reduceret tilsvarende, ville kun små stjerner opstå. Både store og små stjerner er nødvendige for at skabe livsbetingelser. De store må eksistere, for det er kun i disse stjerner der produceres de livsnødvendige grundstoffer. Men de små stjerner, som Solen, må også være der, for det er dem som brænder længe nok til at opretholde planeter med livsbetingelser.

Indledningsvis nævnede jeg at de fleste fysikere mener at naturkonstanterne er en del af naturen. Per definition beskriver naturlovene fænomener som er i overensstemmelse med regulære mønstre der gentager sig. Men de overfølsomme værdier i de fysiske konstanter og randbetingelserne for universet udgør et højst irregulært sæt værdier. Man kan ikke udføre observationer i naturen hvor konstanterne har andre værdier. De præcise værdier udgør specifikke træk ved naturlovene. Derfor forekommer det højst usandsynligt at nogen lov kan forklare hvorfor naturkonstanterne har nøjagtig den værdi de har. Astrofysikeren Fred Hoyle har sagt at en fornuftig fortolkning af fakta tilsiger en at et superintellekt har drevet gæk med fysikken, såvel som med kemien og biologien, og at der ikke i naturen findes nogen blinde kræfter det er værd at snakke om. I en bog, “The Emperor’s New Mind” (1989), side 440, stiller oxfordfysikeren Roger Penrose spørgsmålet: “Hvor specielt var Big Bang?” Han svarer at en enkelt parameter – volumet af det oprindelige faserum – kræver en så stor nøjagtighed at “skaberens hensigt må have ligget inden for en 10 i tiende i 123.-dels nøjagtighed.” Penrose tilføjer følgende kommentar: Man kan ikke skrive dette tal … eftersom det ville være et 1-tal efterfulgt af 10¹²³ nuller – flere nuller end det er nukleoner i universet. Sådan er den præcision som er nødvendig for at sætte universet på ret kurs.

Ufatteligt små brøkdele

Indholdsfortegnelse

Det antropiske princip

Fysikerne har lavet modeller af den reelle verden på forskellig skala, fra den mikroskopiske verden af subatomare partikler til kosmos. Et slående træk ved disse modeller er at mennesket selv ikke har nogen plads i dem. Dette er ikke overraskende eftersom de fleste fysikere anser mennesket, eller mere generelt bevidstheden, som irrelevant for universets funktionalitet. Mennesket betragtes som passive tilskuere til naturlovene som fungerer over alt og til alle tider. De fungerer uafhængigt af menneskets eksistens.

Nogle fysikere har reageret på dette upersonlige verdensbillede. Vi har omtalt naturkonstanter som må have værdier inden for meget små intervaller for at der skal kunne være mulighed for liv i universet. Forskningen har afdækket at det findes mindst 35 parametre som må antage meget præcist definerede værdier hvis liv skal kunne eksistere. Vi har set at der eksisterer en ekstrem fin balance mellem en række fysiske og kemiske størrelser i naturen. Mange mener at dette kan man ikke bare afvise med at sige at det skyldes tilfældigheder. Traditionelt er det blevet taget som bevis på et guddommeligt design.

Antagelsen om at visse afgørende træk ved universet er indrettet til menneskets eksistens, kalder man det antropiske princip. Dette princip siger at det vi kan forvente at kunne observere, må være begrænset til de nødvendige betingelser der skal til for at vi som observatører kan være til stede. Filosoffen Sir Francis Bacon udtrykker det sådan: “Hvis mennesket blev taget bort fra verden, ville resten af verden være på vildspor, uden mål og hensigt.”

Det antropiske princip blev først lanceret af Brandon Carter i 1974. Siden er det formuleret på forskellig vis af fysikere som John D. Barrow og Frank J. Tipler (1986). De fremsatte det antropiske princip for at komme på det rene med de tilsyneladende usandsynlige sammentræf som danner perfekte forhold for liv. Alt fra energitilstanden i elektronen til den eksakte værdi i den svage vekselvirkning synes at være skræddersyet til vores eksistens. Livet er afhængigt af flere uafhængige variable, hvor blot en lille forandring ville gøre Jorden ubeboelig. Men nu vi er her! Det antropiske princip fastslår at årsagen til at vi er her og kan gruble over disse problemer, er det faktum at alle korrekte variable er på plads. Princippet må selvfølgelig betegnes som metafysisk. Det kan ikke falsificeres sådan som Poper kræver det for at en hypotese skal kunne betegnes som naturvidenskabelig.

Livet er afhængigt af ikke mindre end 35 parametre

 

Indholdsfortegnelse

 

»Alt synes skræddersyet til vores eksistens«

Litteratur:

J.D. Barrow and F.J. Tipler (1986) The Antropic Cosmological Principle. Oxford: Clarendom Press

C. Carter (1974) Large Number Coincidences and the Antropic principle i Confrontation of Cosmological Theories with Observational Data. Boston: D. Reidel

M.J. Denton (1998) Nature`s Destiny. The Free Press, New York

I. Kanestrøm (2005) Naturkonstanter og livsbetingelser. Fra fysikkens verden, Nr 1, 2005, s. 19-23

John Leslie, Ed. (1998) Modern Cosmology & Philosophy, Prometheus Books, New York

Hugh Ross (2001) The Creator and the Cosmos. NAVPRESS, Colorado

Hugh Ross (1989) The Fingerprint of God. Whitaker House, New Kensington

W. Whewell (1871) Astronomy and General Physics Considered with Reference to Natural Theology. Bohn, London

Indholdsfortegnelse